Физико-химические процессы, протекающие при брожении

Анаэробное брожение — это процесс, посредством которого микроорганизмы получают химическую энергию из глюкозы и других субстратов в отсутствии или при дефиците молекулярного кислорода. Его следует рассматривать как простейшую форму биологического механизма, обеспечивающего получение энер­гии из питательных веществ.

Дрожжевые клетки и молочнокислые бактерии - факультатив­ные анаэробы. Главным клеточным «топливом» при анаэробном получении энергии служат шестиуглеродные сахара, в первую оче­редь D-глюкоза; при спиртовом брожении, вызываемом дрожжами, пентозы не сбраживаются. Некоторые бактерии способны извле­кать энергию, сбраживая пентозы, жирные кислоты или аминокис­лоты. Среди многих способов сбраживания глюкозы наиболее важ­ную роль играют два тесно связанных между собой — гомоферментативное молочнокислое брожение и спиртовое брожение.

При гомоферментативном молочнокислом брожении моле­кула гексозы расщепляется на две трехуглеродные молекулы мо­лочной кислоты (лактата), представляющей собой единственный конечный продукт этого процесса.

Физико-химические процессы, протекающие при гликолизе и спиртовом брожении

При спиртовом брожении шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на две двууглеродные молекулы этанола (С₂Н₅ОН) и две молекулы диоксида углерода (С0₂). Спиртовое брожение осу­ществляется тем же ферментативным путем, что и гликолиз, с той разницей, что последняя, завершающая реакция заменена здесь двумя другими, в результате которых трехуглеродные фрагменты разрушаются до этанола и диоксида углерода.

Оба эти процесса включают окислительно-восстановитель­ные реакции. Об этом отчетливо свидетельствуют конечные про­дукты спиртового брожения; этанол можно рассматривать как относительно восстановленное соединение, т.к. его молекула со­держит определенное количество водорода, а диоксид углерода — как относительно окисленное, поскольку водород в его молекуле отсутствует. В конечных продуктах гликолиза окислительно-вос­становительный процесс не столь очевиден. Однако один конец молекулы молочной кислоты (метильная группа) находится в бо­лее восстановленном состоянии, чем другой ее конец (карбок­сильная группа). В молекуле глюкозы атомы водорода распреде­лены более равномерно.

Суммарные уравнения гликолиза и спиртового брожения имеют вид:

Процесс гликолиза сопровождается сильным уменьшением свободной энергии, составляющим 135,65 кДж. Это необрати­мый процесс, смещенный в сторону образования лактата.

Гликолиз объединяет три типа химических превращений, пути которых взаимосвязаны: 1) реакции, вызывающие распад глюкозы с образованием конечного продукта - лактата

2) реакции, в результате которых неорганический фосфат (Ф_н) становится концевой группой АТФ и

3) окислительно-вос­становительные реакции - путь переноса электронов.

В гликолиз вовлекаются и другие углеводы — крахмал и гли­коген, простые сахара (не D-глюкоза) при участии некоторых до­полнительных ферментов. Фермент а-1,4-глюканфосфорилаза катализирует общую реакцию, в которой (глюкоза)_n означает полисахаридную цепь глюкана, а (глюкоза) — туже цепь, но уко­роченную на одну единицу:

(Глюкоза)_n +НР0₄ ^-2 ↔ (Глюкоза)_п_₁ + Глюкоза – 1 - фосфат.

Фермент атакует нередуцирующий конец цепи до тех пор, пока не достигнет точки ветвления, т.е. до α-1,6-связи. Конечным про­дуктом его действия оказывается остаточный декстрин. Для возоб­новления действия а-1,4-глюканфосфорилазы должен предвари­тельно вступить в действие фермент α - 1,6-глюкозидаза, гидролизу-ющий α -1,6-связь в точке ветвления и открывает для действия α -1,4-глюканфосфорилазы новый участок полисахаридной цепи.

D-манноза и D-фруктоза могут фосфорилироваться в положе­нии 6под действием гексокиназы. D-галактоза включается в глико­лиз в результате фосфорилирования, катализируемого галактокиназой в присутствии АТФ. В гликолиз могут вовлекаться и пентозы.

Для организмов, подобных дрожжам, сбраживающим глюко­зу до спирта и С0₂, а не до молочной кислоты, процесс брожения совпадает с гликолизом во всем, за исключением концевого эта­па, катализируемого лактатдегидрогеназой. При спиртовом бро­жении этот процесс заменен двумя другими ферментативными реакциями, катализируемыми соответственно пируватдекарбосилазой и алкоголъдегидрогеназой.

Пируватдекарбоксилаза требует наличия ионов Mg²⁺ и ко-фермента тиаминпирофосфата (ТПФ) - эфира пирофосфорной кислоты и тиамина (витамина В₁). Тиаминпирофосфат служит переносчиком активных альдегидных групп

В заключительной стадии процесс спиртового брожения аце-тальдегид восстанавливается до этанола под действием фермента алкогольдегидрогеназы; при этом роль восстановителя играет HADH + Н⁺:

В это уравнение не входят HADH и HAD⁺, так как HADH, образованный в процессе гликолиза, опять превращается в HAD⁺ в результате восстановления уксусного альдегида в этанол. Такая регенерация HAD⁺ обеспечивает в анаэробных условиях непре­рывное течение гликолиза.

Реакции, обеспечивающие выделение энергии, сохраняемой в форме АТФ, при гликолизе и при спиртовом брожении идентичны.

Спиртовое брожение является важнейшей стадией в техноло­гии хлеба. Его цель - разрыхление теста диоксидом углерода, при­дание тесту физических свойств, обеспечивающих его разделку, расстойку и выпечку. Образующиеся при брожении теста под дей­ствием дрожжевых клеток наряду с диоксидом углерода и этано­лом побочные продукты, обусловливают вкус и аромат хлеба.

Брожение ведется при температуре 27 — 35 °С, величина рН изменяется при брожении от 6,0 - 5,8 до 5,0 и ниже, что связано с растворением в полуфабрикате диоксида углерода и накоплени­ем органических кислот.

Молочнокислое брожение в технологии ржаного хлеба явля­ется основной стадией производства. В процессе жизнедеятельно­сти гомо- и гетероферментативных молочнокислых бактерий на­капливается достаточные количества молочной кислоты, необхо­димой для ингибирования а-амилазы, активность которой в ржа­ной муке весьма высокая. Чрезмерная деятельность этого фермен­та приводит к интенсивной декстринизации крахмала, особенно на стадии выпечки, когда β-амилаза уже инактивирована.

Именно молочной кислоте принадлежит основная роль в при­дании ржаному хлебу специфического вкуса и приятного аромата. Кроме того, образующийся в результате жизнедеятельности гете­роферментативных молочнокислых бактерий диоксид углерода участвует в разрыхлении заквасок и теста.

В зависимости от соотношения гомо- и гетероферментативных бактерий и от условий их жизнедеятельности в закваске и тесте про­дукты брожения будут накапливаться в разных количествах. Более высокая активность гетероферментативных бактерий обеспечивает разрыхленность ржаного теста. Однако в тесте при действии этих бактерий накапливается также значительное количество уксусной кислоты. В результате хлеб приобретает неприятный кислый вкус. Превалирующее гомоферментативное брожение способствует на­коплению в тесте в достаточном количестве молочной кислоты, придающей хлебу мягкий, приятный кисловатый вкус.