Брожение глюкозы - одна из основных реакций, с помощью которой возможно приготовление спиртных напитков. Она может осуществляться разными путями, в каждом из которых образуются индивидуальные продукты. Этот процесс играет ключевую роль во многих отраслях нашей жизни, начиная с кулинарии и приготовления винно-водочных изделий и заканчивая реакциями, протекающими в нашем организме.

История

Процессом брожения глюкозы и других сахаров пользовались ещё древние люди. Они ели немного подбродившую пищу. Такая еда была безопаснее, так как содержала спирт, в среде которого гибли многие вредные бактерии. В Древнем Египте и Вавилоне люди уже умели сбраживать многие сахаросодержащие напитки и молоко. Когда людям в конце 18 века удалось лучше изучить этот процесс, его виды и возможности улучшения, очень сильно качественно выросли такие отрасли промышленности, как квасо-, пивоварение и винно-водочная.

Виды брожения

Как ни странно, но этот процесс бывает разным. И различают виды брожения глюкозы по конечным продуктам. Таким образом, существует молочнокислое, спиртовое, лимоннокислое, ацетоновое, маслянокислое и ещё несколько других. Поговорим немного о каждом виде по отдельности. Молочнокислое брожение глюкозы - основной процесс при приготовлении такой продукции, как простокваша, сметана, кефир, творог. Оно также используется для консервации овощей и выполняет ключевую функцию в нашем организме: в условиях недостатка кислорода глюкоза превращается в конечный продукт - молочную кислоту, которая обуславливает боли в мышцах в момент тренировки и немного после неё.

Этот процесс происходит под влиянием кислорода, и в общем виде его можно записать следующим уравнением: 2С 6 Н 12 O 6 +3О 2 = 2С 6 Н 8 О 7 + 4Н 2 О. До того как этот вид брожения открыли, люди добывали лимонную кислоту исключительно выжимкой плодов соответствующего дерева. Однако в лимоне этой кислоты не более 15%, поэтому этот способ оказался нецелесообразен, и после открытия этой реакции всю кислоту начали получать методом брожения.

Маслянокислое брожение

Перейдём к следующему типу. Этот вид брожения происходит под действием маслянокислых бактерий. Они широко распространены, а процесс, который они вызывают, играет ключевую роль в биологически важных циклах. С помощью этих бактерий и происходит разложение мёртвых организмов. Масляная кислота, образующаяся в ходе реакций, привлекает своим запахом падальщиков.

Этот вид брожения используется в промышленности. Как нетрудно догадаться, им получают масляную кислоту. Её сложные эфиры широко используются в парфюмерии и имеют приятный запах, в отличие от неё самой. Однако не всегда маслянокислое брожение приносит пользу. Оно может вызывать порчу овощей, консервов, молока и других продуктов. Но это может произойти, если только в продукт попали маслянокислые бактерии.

Разберём механизм маслянокислого брожения глюкозы. Реакция его выглядит так: C 6 H 12 O 6 → CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 . В результате также образуется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность маслянокислых бактерий.

Ацетоно-бутиловое брожение

Этот тип очень схож с маслянокислым. Бродить таким способом может не только глюкоза, но и глицерин, и пировиноградная кислота. Этот процесс можно разделить на две стадии: первая (иногда её называют кислотной) представляет собой фактически маслянокислое брожение. Однако помимо масляной, выделяется ещё и уксусная кислота. В результате брожения глюкозы таким способом мы получаем продукты, которые идут во вторую стадию (ацетонобутиловую). Так как весь этот процесс происходит также под действием бактерий, то при подкислении среды (повышении концентрации кислот) происходит выделение специальных ферментов бактериями. Они индуцируют реакцию превращения продуктов брожения глюкозы в и ацетон. Помимо этого, может образовываться некоторое количество этанола.

Другие виды брожения

Помимо перечисленных пяти видов этого процесса, существуют ещё несколько. Например, это уксуснокислое брожение. Оно тоже происходит под действием многих бактерий. Этот вид брожения может использоваться в полезных целях при мариновании. Он предохраняет пищу от болезнетворных и опасных бактерий. Ещё различают щелочное или метановое брожение. В отличие от предыдущих типов, этот вид брожения может осуществляться для большинства органических соединений. В результате большого количества сложных реакций, органические вещества расщепляются на метан, водород и углекислый газ.

Биологическая роль

Брожение - самый древний способ добывания энергии живыми организмами. Одни существа производят органические вещества, попутно получая энергию, а другие разрушают эти вещества, тоже получая при этом энергию. На этом построена вся наша жизнь. И в каждом из нас брожение в том или ином виде протекает. Как мы уже говорили выше, молочнокислое брожение происходит в мышцах при интенсивной тренировке.

Если вас заинтересовала биохимия этого очень интересного процесса, стоит начать со школьных учебников по химии и биологии. Во многих вузовских учебниках изложен настолько подробный материал, что после их прочтения вы сможете стать просто экспертом в этой области.

Заключение

Вот мы и подошли к концу. Разобрали все виды брожения глюкозы и общие принципы протекания этих процессов, которые играют очень важную роль как в функционировании живых организмов, так и в нашей промышленности. Вполне возможно, что в будущем мы откроем ещё несколько видов этого древнего процесса и научимся использовать их на пользу себе, как сделали с уже известными нам.

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение вызывают различные микроорганизмы. Чаще всœего это дрожжи родов Saccharomyces , грибы родов Oidium , Mucor , Monilia . Могут вызывать брожение некоторые бактерии рода Clostridium , а также представители семейства Enterobacteriaceae . Для большинства микроорганизмов спирт является побочным продуктом и только для дрожжей рода Saccharo-myces - ϶ᴛᴏ главный конечный продукт брожения.

Дрожжи широко распространены в природе. Οʜᴎ встречаются на поверхности растений, в нектаре цветов, в водоемах, пищеварительном тракте человека и животных, в почве. В процессе эволюции дрожжи хорошо приспособились к обитанию в различных местах, содержащих углеводы. Это всœе, так называемые, "дикие дрожжи". Культуры дрожжей, применяемых в пищевой промышленности, выделœены путем длительной селœекции из диких дрожжей.

Основные возбудители спиртового брожения дрожжи-сахаромицеты являются факультативными анаэробами. В анаэробных условиях необходимую для жизнедеятельности энергию они получают путем сбраживания моно- и дисахаридов, а в присутствии кислорода воздуха – за счёт аэробного дыхания. Из соединœений углерода дрожжи лучше всœего используют гексозы. Некоторые виды хорошо растут на средах с пентозами. Полисахариды используются дрожжами только после предварительного гидролиза. В качестве источника азота дрожжи используют обычно соли аммония, аминокислоты, пептоны, реже нитраты и нитриты. Аминокислоты дрожжи синтезируют самостоятельно, в связи с этим аммонийные соли бывают единственными источниками азота. Стоит сказать, что для нормальной жизнедеятельности дрожжи нуждаются в соединœениях фосфора (для синтеза протеинов и коферментов), в солях калия и натрия. При недостатке солей натрия задерживается почкование дрожжей, а в отсутствии этих солей дрожжи не растут. Некоторые дрожжи нуждаются в витаминах, другие – способны всœе необходимые для роста витамины синтезировать сами. Микроэлементы (желœезо, медь, кобальт) повышают активность ферментов дрожжей.

Оптимальная температура развития большинства видов дрожжей около 28-30 0 С, но температурный диапазон роста довольно широк – от 0 0 С (даже -7 0 С) до 48-50 0 С. Большинство дрожжей растет в границах рН от 3,0 до 8,0, оптимальное значение рН 3,5-6,5.

Первая форма брожения по Нейбергу. Перед началом спиртового брожения олигосахара вначале гидролизуются соответствующими ферментами дрожжей до гексоз. Далее гликолитическим путем осуществляется расщепление гексоз и образование ПВК. Под действием пируватдекарбоксилазы микроорганизмов от ПВК отщепляется СО 2 и образуется ацетальдегид:

ЭМП-путь ПДК

С 6 Н 12 О 6 → 2 СН 3 СОСООН → 2 СН 3 СНО + 2 СО 2

Ацетальдегид служит конечным акцептором водорода. Он восстанавливается в этанол при участии фермента алкогольдегидрогеназы . Брожение предполагает строгое равновесие процессов окисления и восстановления. По этой причине НАД, восстановленный на одном из этапов брожения, должен окисляться на другом этапе. Окисление НАДН 2 происходит одновременно с восстановлением ацетальдегида в этанол:

2 СН 3 СНО + 2 НАДН 2 → 2 СН 3 СН 2 ОН + 2НАД +

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при спиртовом брожении основным продуктом превращения сахаров является этанол и СО 2 . Такой процесс Нейберг назвал первой формой брожения (рисунок Г.1). Суммарная реакция первой формы брожения: С 6 Н 12 О 6 → 2 СН 3 СН 2 ОН + 2 СО 2

Спиртовое брожение протекает наиболее интенсивно в кислой среде (рН 4,0-4,5), при температуре 30 0 С и концентрации сахара 10-15%. Повышенная концентрация сахара приводит к замедлению, а затем прекращению процесса. Спиртовое брожение является эндогенным процессом. Сахар адсорбируется на поверхности дрожжевой клетки, проникает внутрь и метаболизируется ферментами. Образующиеся при этом спирт и СО 2 диффундируют из клетки в окружающую среду. При увеличении концентрации сахара увеличивается осмотическое давление в дрожжевых клетках, происходит плазмолиз, благодаря чему в клетках накапливается спирт и процессы метаболизма нарушаются.

Вторая форма брожения по Нейбергу. Ход брожения может заметно меняться исходя из конкретных условий. В случае если в культуру бродящих дрожжей добавить бисульфит натрия , то он связывает уксусный альдегид. Значит, ацетальдегид блокируется и исключается из последующего процесса:

СН 3 СНО + NaHSO 3 → СН 3 СНОНSO 3 Na

В таких условиях акцептором водорода, оторванного от НАДН 2 , является фосфоглицериновый альдегид, который превращается в глицерин-3-фосфат, а затем дефосфорилируется с образованием глицерина . Суммарная реакция второй формы брожения:

С 6 Н 12 О 6 → С 3 Н 5 (ОН) 3 + СН 3 СНОНSO 3 Na + СО 2

Суммарное количество синтезированной АТФ при такой форме брожения равно нулю и, следовательно, процесс не может обеспечить рост клеток, но его используют в промышленности для получения глицерина. Глицерин используется в кондитерской, парфюмерной и других отраслях промышленности.

Третья форма брожения по Нейбергу. Сходный вариант спиртового брожения происходит при подщелачивании среды (добавлении NaHСO 3 или Na 2 HРO 4). В этих условиях ацетальдегид окисляется НАД-зависимой дегидрогеназой в уксусную кислоту. Образовавшийся на этой стадии НАДН 2 используется для восстановления эквивалентного количества ацетальдегида в этанол. Одновременно НАДН 2 , получившийся при окислении 3-фосфорноглицеринового альдегида, используется для восстановления фосфоглицеринового альдегида в глицерин-3-фосфат, который затем превращается в глицерин. Суммарная реакция третьей формы брожения:

2 С 6 Н 12 О 6 + Н 2 О → 2 С 3 Н 5 (ОН) 3 + СН 3 СН 2 ОН + СН 3 СООН + 2СО 2

Такой химизм процесса благоприятен для клеток, поскольку образующаяся уксусная кислота снижает рН среды, после чего вновь возобновляется нормальное спиртовое брожение.

Спиртовое и глицериновое, или глицеринпировиноградное (ГПВК), брожения тесно связаны. В начальной стадии спиртового брожения появляется глицерин. Это объясняется наличием в начале брожения своеобразного периода индукции, ᴛ.ᴇ. времени, крайне важно го для накопления ацетальдегида. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в начале преобладает ГПВК брожение. Но даже в период бурного спиртового брожения, наряду со спиртом, образуются другие продукты.

Эффект Пастера. В присутствии молекулярного кислорода (в аэробных условиях) дрожжи быстро переключаются с брожения на аэробное дыхание. При этом ПВК, образующаяся из глюкозы и других субстратов, окисляется через цикл Кребса до СО 2 и Н 2 О. Вместе с тем, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) обеспечивает клетки рядом метаболитов, необходимых для дальнейших биосинтетических реакций. В энергетическом отношении дыхание более выгодно, чем брожение. По этой причине в аэробных условиях дрожжи растут лучше и образуют большую биомассу.

Подавление брожения в аэробных условиях носит название эффекта Пастера , так как Пастер первым установил, что молекулярный кислород уменьшает образование этилового спирта и СО 2 , но способствует активному размножению дрожжевых клеток. Этот эффект используется в дрожжевом производстве, где крайне важно, чтобы сахар потреблялся на размножение дрожжей, для накопления их биомассы.

Эффект Крэбтри. Спиртовое брожение может происходить в условиях значительной аэрации при высоком содержании глюкозы в среде. Подавление аэробного дыхания при высокой концентрации глюкозы (высокой скорости ее усвоения) принято называть эффектом Крэбтри, или катаболитной репрессией . Этот эффект не наблюдается при выращивании дрожжей на средах, содержащих менее усвояемые сахара. Катаболитная репрессия аэробного дыхания не только снижает получение дрожжами энергии, но подавляет биосинтез промежуточных продуктов ЦТК и глиоксилатного цикла. В таких условиях необходимые для биосинтеза кислоты ЦТК образуются путем карбоксилирования ПВК при участии фермента пируваткарбоксилазы :

СН 3 СОСООН + АТФ + СО 2 + Н 2 О → СОСООНСН 2 СООН + АДФ + Ф н

Спиртовое брожение - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Спиртовое брожение" 2014, 2015.

Спиртовое брожение -- это процесс превращения в анаэробных условиях сахара в диоксид углерода и этиловый спирт:

С 6 Н 12 О 6 -» 2СО 2 + 2С 2 Н 5 ОН

Этиловый спирт -- один из широко распространенных продуктов сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт.

Химизм спиртового брожения.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, которые выращивают в аэробных условиях, подбирая соответствующие расы, обладающие необходимыми свойствами для данного производства.

Процесс спиртового брожения осуществляется с тем же запасом энергии в форме АТФ и тем же ферментативным путем, что и гликолиз, вплоть до образования пировинограднои кислоты. Превращение пировинограднои кислоты в этиловый спирт происходит в два этапа. Сначала пируват (пировиноградная кислота) декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой при участии тиаминпирофосфата до ацетальдегида, а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой в этанол при участии NADH2.

При этом дрожжи получают энергию для развития биохимических процессов в клетке: глюкоза -» этиловый спирт + СО 2 + 166 кДж/моль.

С энергетической точки зрения брожение -- процесс малоэффективный. Так, если при окислении 1 грамм молекулы глюкозы до СО 2 и Н 2 О в процессе аэробного дыхания синтезируется 36 моль АТФ, то в процессе спиртового брожения -- всего 2 моль АТФ.

Дрожжи могут переключать один тип обмена веществ (аэробный) на другой (анаэробный).

Наряду с основными продуктами брожения -- этиловым спиртом и СО 2 -- образуются побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная кислота, янтарная кислота, а также так называемые сивушные масла. В состав сивушных масел входят пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, амиловый (пентанол) и изоамиловый (триметилбутанол) спирты, представляющие собой продукты нормального бродильного метаболизма дрожжей и обнаруживающиеся при росте дрожжей на любых средах. Пути синтеза этих веществ еще до конца не изучены.

Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. Дрожжи способны сбраживать помимо глюкозы и пировиноградную кислоту. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пировинограднои кислоты образуется ацетальдегид; если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, добавить бисульфит, то появится новый продукт -- глицерин, однако при этом снижается выход этилового спирта и СО 2 .

Брожение в присутствии бисульфита стали использовать в промышленности при производстве глицерина.

На условия спиртового брожения влияют многие факторы: химический состав сбраживаемой среды, т. е. ее полноценность, концентрация и кислотность среды, содержание спирта, температура, наличие посторонних микроорганизмов.

Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов -- сахарозу и мальтозу. Пентозы сбраживаются только некоторыми дрожжами. Дрожжи не могут сбраживать крахмал, так как они не образуют амилолитических ферментов.

Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей составляет 10-15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения снижается, а при 30-35% сахара брожение обычно прекращается.

Энергией брожения называется способность определенного количества дрожжей сбраживать за определенный промежуток времени то или иное количество сахара. В природе встречаются дрожжи, способные вызывать брожение сахара даже при концентрации его 50-60% и выше.

Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли, но дрожжи могут использовать также аминокислоты и пептиды.

Брожение обычно протекает в кислой среде при рН 4-5. В щелочной среде в результате брожения образуется глицерин.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре около 30 °С; при температуре 45-50 °С брожение прекращается в результате гибели клеток дрожжей. Снижение температуры приводит к замедлению брожения, но полностью оно не прекращается даже при температуре ниже О °С.

Этиловый спирт, образующийся в процессе брожения, неблагоприятно влияет на дрожжи. Накопление дрожжами спирта в концентрации 2-5 % в зависимости от вида и расы дрожжей действует на них уже угнетающе. В большинстве случаев брожение прекращается при накоплении дрожжами 12-14% (объемных) спирта. Выведены селекционерами расы дрожжей, устойчивые к накоплению 16-18 и даже 20 % спирта.

Использование спиртового брожения лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина и пекарских дрожжей.

Для получения этилового спирта используют разное сырье трех основных групп: содержащее сахар (сахарная свекла, кормовая патока, или меласса, сахарный тростник, фруктовые соки); содержащее крахмал (картофель, земляная груша, кукуруза, ячмень, овес, рожь, пшеница); содержащее целлюлозу (древесина и сульфитные щелока). Сырье используют в зависимости от хозяйственных возможностей; оно должно быть дешевым и в достаточном количестве.

В солоде кроме амилаз содержатся и протеолитические ферменты, которые вызывают частичное превращение белковых веществ в растворимые азотсодержащие вещества. В результате получается сусло, богатое как сахаристыми веществами, так и другими питательными веществами для дрожжей. Вносят и дополнительные источники питания. Это делается всегда по рецепту сред для каждого данного производства.

В полученное сусло вносят дрожжи, чаще всего применяют расы Saccharomyces cerevisiae, которые быстро размножаются, спиртоустойчивы, обладают высокой энергией брожения. Есть и другие промышленно важные расы дрожжей.

По окончании брожения дрожжи отделяют от сброженных заторов, а спирт отгоняют на специальных перегонных аппаратах.

Получается спирт-сырец и остается отход производства -- барда, которую используют для получения кормовых дрожжей. Отработанные дрожжи тоже используются в виде жидких и сухих кормовых дрожжей.

Спирт-сырец используют как для технических целей, так и для дальнейшей очистки -- ректификации. Микроорганизмы в спирт-сырец могут попадать из воздуха, сырья, аппаратуры. Ими могут быть молочнокислые бактерии и дикие дрожжи, которые способны развиваться в анаэробных условиях в присутствии спирта. Они используют питательные вещества среды, угнетают дрожжи продуктами своего обмена, при этом снижается выход спирта.

Спирт применяют в медицине, производстве различных спиртовых напитков. В последние десятилетия спирт рассматривают как перспективное топливо. Производство спирта на топливо налажено в США, Японии, Германии, во Франции, в Швеции, Австралии и других странах. В некоторых странах (США, Бразилия) мощность заводов составляет ~ 200 тыс. л в сутки. Спирт является сырьем для химической промышленности. С уменьшением запасов нефти (полагают многие ученые) на смену нефтехимии придет алкохимия (химия биоэтанола).

Основным сырьем для получения пива является ячменный солод, который получают из пророщенных зерен ячменя (соложение). Амилазы солода расщепляют содержащийся в нем крахмал на более простые углеводы -- мальтозу и декстрин, а протеазы частично превращают содержащийся белок в азотистые соединения, усваиваемые дрожжами.

К солоду добавляют несоложеные ячмень, рис, кукурузную муку, воду, хмель и получают пивное сусло. Пивное сусло является полноценной питательной средой для дрожжей. Вещества хмеля обладают антибактериальным действием и придают пиву специфические горечь и аромат.

Для получения большинства сортов пива используют преимущественно дрожжи низового брожения (расы Saccharomyces carlsbergensis), для некоторых сортов пива -- дрожжи верхового брожения (Saccharomyces cerevisiae). Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает медленно и спокойно, ведут его при сравнительно низких температурах -- от 5 до 10 °С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи не выносятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро оседают на дно бродильных емкостей.

Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28 °С. На поверхности бродящей жидкости образуется много пены. Под действием выделяющегося СО 2 дрожжи выносятся в верхние слои субстрата.

По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных емкостей рыхлым слоем. Процесс получения пива идет в два этапа, т. е. осуществляется два периода брожения -- главное и дображивание.

В процессе главного брожения при температуре от 6 до 10 °С дрожжи активно размножаются и интенсивно сбраживают сахар. Получают так называемое зеленое (незрелое) пиво. Его сливают с дрожжевого осадка и направляют на дображивание при температуре около 1 °С. Дрожжи, оставшиеся в зеленом пиве, почти не размножаются и медленно сбраживают оставшийся сахар. Накапливаются диоксид углерода, 3-6 % (по массе) этилового спирта, побочные продукты брожения: высшие спирты, органические кислоты, диацетил, эфиры. Все они принимают участие в формировании вкуса и аромата пива.

Созревшее пиво осветляют и направляют на розлив, а дрожжи удаляют путем фильтрования или центрифугирования. Химический состав и вкусовые свойства разных сортов пива зависят от используемого сырья, использованной расы дрожжей и технологии производства.

Часть дрожжей, осевших на дно бродильных емкостей, вновь используют для получения пива, часть выпускают в виде жидких или сухих пивных дрожжей в качестве продукта, богатого витаминами В1, В2, В6, РР, пантотеновой кислотой, а часть идет на корм животным.

Пиво -- скоропортящийся продукт. Для увеличения срока хранения пива его пастеризуют, иногда добавляют химические консерванты (сорбиновую кислоту, юглон), обрабатывают СВЧ.

Для получения вина исходным сырьем служат виноградный сок, а также плодово-ягодные соки. Все соки являются хорошей питательной средой для различных микроорганизмов. Для избавления от вредной микрофлоры и от диких дрожжей соки сульфитируют (обрабатывают сернистым ангидридом SO 2), а затем подвергают брожению. Сернистый ангидрид играет роль как антисептика, так и антиокислителя. Он связывает кислород, при этом снижается окислительно-восстановительный потенциал среды, что препятствует развитию аэробной микрофлоры и благоприятствует брожению.

Брожение соков для изготовления вин осуществляют с применением чистых культур винных дрожжей низового брожения Sacch. (ellipsoideus), а для вин хересного типа еще и Sacch. oviformis. Для получения определенных вин выбирают производственные расы дрожжей, отвечающие следующим требованиям: они должны полностью выбраживать сусло, быть устойчивыми к повышенному содержанию сахара и спирта, к SO 2 , к низкому рН быстро оседать после брожения и давать плотный осадок. Разные расы Sacch. vini, селекционированные для определенны) типов вин, обладают различным температурным оптимумом брожения, образуют разное количество спирта (10-18%), разные побочные продукты, что отражается на вкусовых и ароматически) свойствах вин.

Для предохранения вин от микробной порчи их пастеризуют, вводят антисептики (SO 2 , сорбиновую кислоту), обрабатывают ультразвуком, ультрафиолетом.

На всех бродильных производствах качество и выход готовое продукции в значительной степени зависят от общего санитарного состояния производства. На всех предприятиях должен поддерживаться строгий санитарный режим, а также проводиться постоянный микробиологический контроль на всех стадия) производственного процесса, включая помещения, тару и т.п.

Пекарские дрожжи (расы Sacch. cerevisiae) прессованные и сухие для производства хлебобулочных изделий получают на специализированных дрожжевых заводах. При получении пекарских дрожжей в качестве питательной среды используют очищенную и разбавленную водой свекловичную мелассу -- отход свеклосахарного производства. К свекловичной мелассе, содержащей все необходимое для дрожжей, дополнительно добавляют азот и фосфорсодержащие соли. Дрожжи размножаются при температуре около 30 °С, рН 4,5 - 5,5, при непрерывной аэрации. Дрожжи дышат и активно размножаются, а не бродят. Большая часть сахара используется ими для синтеза веществ клетки.

Выросшую массу дрожжей отделяют от среды, промывают водой, сгущают и прессуют до содержания влаги 73-75 %. Полученную дрожжевую массу формуют в виде брикетов с содержанием дрожжевых клеток от 8 до 12 млрд в 1 г. Брикеты упаковывают в бумагу и охлаждают до температуры 4°С. Сухие дрожжи выпускают влажностью 8-10 %.

Используемые расы пекарских дрожжей должны хорошо размножаться, обладать высокой бродильной активностью, быть стойким при хранении в прессованном виде и при высушивании. В настоящее время используют следующие расы пекарских дрожжей: Киевская 21, Одесская 14, гибриды № 176 и 196-6. Сохранять прессованные дрожжи следует на холоде.

бактерия клетка спиртовой брожение

Спиртовое брожение - это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.

В 1836 г. французский ученый Каньяр де ла Тур установил, что спиртовое брожение связано с ростом и размножением дрожжей. Химическое уравнение спиртового брожения было дано французскими химиками А. Лавуазье (1789 г.) и Ж. Гей-Люссаком (1815 г.). Л. Пастер пришёл к выводу (1857 г.), что спиртовое брожение могут вызывать только живые дрожжи в анаэробных условиях («брожение - это жизнь без воздуха»). В противовес этому немецкий ученый Ю. Либих упорно настаивал на том, что брожение происходит вне живой клетки. На возможность бесклеточного спиртового брожения впервые (1871 г.) указала русский врач-биохимик М. М. Манассеина. Немецкий химик Э. Бухнер в 1897, отжав под большим давлением дрожжи, растёртые с кварцевым песком, получил бесклеточный сок, сбраживающий сахар с образованием спирта и CO2. При нагревании до 50°C и выше сок утрачивал бродильные свойства. Все это указывало на ферментативную природу активного начала, содержащегося в дрожжевом соке. Русский химик Л. А. Иванов обнаружил (1905 г.), что добавленные к дрожжевому соку фосфаты в несколько раз повышают скорость брожения. Исследования отечественных биохимиков А. И. Лебедева, С. П. Костычева, Я. О. Парнаса и немецких биохимиков К. Нейберга, Г. Эмбдена, О. Мейергофа и др. подтвердили, что фосфорная кислота участвует в важнейших этапах спиртового брожения. Этот вид брожения имеет наибольшее народнохозяйственное значение.
Спиртовое брожение есть процесс разложения сахара на спирт и углекислый газ. Оно протекает под действием микро­организмов в виде следующей реакции:

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 27 ккал
сахар этиловый углекислый энергия
спирт газ

Кроме этилового спирта и углекислого газа, при этом получаются также побочные продукты: уксусный альдегид, глицерин, сивушные масла (бутиловый, изобутиловый, амиловый и изоамиловый спирты), уксусная и янтарная кислоты и др.
Спиртовое брожение углеводов вызывается дрожжами, отдельными представителями мукоровых грибов и некоторыми бактериями. Однако грибы и бактерии вырабатывают спирта значительно меньше, чем дрожжи. Сбраживаться могут лишь углеводы, и притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).

Схематично спиртовое брожение может быть изображено уравнением

С 6 Н 12 О 6 → 2С 2 Н 5 ОН + 2СO 2 + 23,5 + 104 дж

глюкоза → этиловый спирт + углекислота + энергия.

Процесс спиртового брожения - многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пировиноградной кислоты происходят так же, как и при дыхании. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно). Далее пути дыхания и брожения расходятся.

При спиртовом брожении пировиноградная кислота превращается в спирт и углекислоту. Эти реакции протекают в две стадии. Сначала от пирувата отщепляется С02 и образуется уксусный альдегид; затем уксусный альдегид присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт. Все реакции катализируются ферментами. В восстановлении альдегида участвует НАД-H2. Обычно при спиртовом брожении, кроме главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь которых называется сивушным маслом - соединение, от которого зависит специфический аромат вина. Образование побочных веществ связано с тем, что превращение глюкозы частично идет другими путями. Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.

Спиртовое брожение используется человеком с глубокой древности при изготовлении вина, пива, браги и др. Причина же брожения стала известна лишь в середине XIX в., после того, как Пастер установил, что разложение сахара на спирт и угле­кислый газ связано с дыханием дрожжей в анаэробных условиях. Сбраживание сахара представляет собой сложный биохимический процесс, поэтому приведенное выше уравнение выражает его лишь в общем суммарном виде.

Дрожжи в зависимости от условий брожения образуют разные количества продуктов брожения, среди них могут преобладать либо этиловый спирт и углекислота, либо глицерин и уксусная кислота. Причем сбраживают они не все сахара, а только моносахариды (например, глюкозу) и дисахариды (например, мальтозу). Полисахариды (крахмал) дрожжи сбраживать не способны, так как они не имеют нужного для расщепления полисахаридов фермента (амилазы).

Брожение зависит не только от условий, в которых оно про­текает, но также от вида и расы применяющихся дрожжей. К числу этих условий относятся концентрация сахара, кислот­ность среды, температура и количество накопившегося спирта.
Наиболее благоприятная концентрация сахара в сбраживаемом субстрате для большинства дрожжей составляет около 15%, при более высоких концентрациях брожение замедляется, а затем прекращается вовсе. Однако некоторые дрожжи могут вызывать брожение и при содержании в среде сахара свыше 60%. При концентрации сахара в субстрате в количестве менее 10% брожение протекает очень вяло.
Нормальной для спиртового брожения является кислая среда с рН, равным 4 или 4,5. В щелочной среде брожение протекает с образованием глицерина и уксусной кислоты.

Наилучшая температура брожения находится в пределах 28-32°С. При более высоких температурах брожение замедляется, а при 50°С оно прекращается. Понижение температуры снижает энергию брожения, хотя полностью оно не останавливается даже при 0°С. На практике процессы брожения ведут при температуре в пределах 20-28°С при верховом брожении и в пределах 5-10°С при низовом брожении.

Верховое брожение протекает очень энергично, с образованием на поверхности субстрата большого количества пены и с бурным выделением углекислого газа, потоками которого дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. Дрожжи, вызывающие такое брожение, называются верховыми дрожжами. После окончания брожения они оседают на дно бродильных сосудов.

Низовое брожение, вызываемое низовыми дрожжами, идет значительно спокойнее, с образованием небольшого количества пены. Углекислый газ выделяется постепенно и дрожжи остаются в нижнем слое сбраживаемого субстрата.

Верховые дрожжи применяют для получения спирта и пекарских дрожжей, низовые - для производства вина и пива. Для получения вина и пива иногда используют и верховые дрожжи.

Образующийся в процессе брожения спирт оказывает вред­ное воздействие на дрожжи. При накоплении в субстрате спирта более 16% к объему самого субстрата брожение прекращается, а угнетающее действие образовавшегося спирта начинает про­являться уже при концентрации 2-5%. Некоторые же расы специально приученных дрожжей способны выдерживать весь­ма высокие концентрации спирта - до 20-25%.

Спиртовое брожение нормально протекает в анаэробных условиях, создающихся в процессе самого брожения. Но поскольку дрожжи являются факультативными анаэробами, они могут разлагать сахар и в аэробных условиях с образованием углекислого газа и воды. Замечено, что в условиях хорошей аэрации дрожжи усиленно размножаются. Поэтому при производстве пекарских дрожжей бродящий субстрат продувают воздухом.

Для промышленного получения спирта в качестве сырья используют крахмалосодержащие продукты - картофель, зерно­вые культуры, а также отходы сахарного производства. В связи с тем, что дрожжи не способны сбраживать крахмал, его предварительно осахаривают с помощью солода, содержащего фермент амилазу. Солод получают из проросших зерен ячменя. В настоящее время для осахаривания применяют также грибной солод (грибы рода аспергиллус), который во многих отношениях является выгоднее ячменного солода. В результате осахаривания крахмала образуется дисахарид мальтоза - солодовый сахар.

Использование спиртового брожения для производства продуктов питания

Для производства пива чаще всего используют ячмень, из которого получают солод, а из солода приготавливают сусло-сахаристую жидкость, подвергаемую брожению. Вкусовые особенности пива зависят от качества сырья, технологии и применяемых дрожжей. Низовые дрожжи, используемые в пивоварении, ведут медленное брожение, не вызывают значительного помутнения сусла, а по окончании брожения образуют на дне плотный осадок. Среди низовых дрожжей имеются сильнобродящие и слабобродящие дрожжи.

В виноделии до последнего времени дрожжи не играли той преимущественной роли, которая падает на их долю в производстве пива. Основная масса вина получалась путем самосбраживания сусла с помощью случайных дрожжей, находящихся на ягодах винограда. Применение чистых культур в виноделии дает возможность быстрее и полнее осуществить сбраживание виноградного сусла и получить вино с хорошим букетом. Отдельные расы винных дрожжей при сбраживании виноградного сусла способны накапливать до 10-14% спирта. Каждый винодельческий район имеет расы дрожжей, специфические для данной местности, поэтому сорт получаемого вина определяется не только сортом винограда и технологией, но и биологическими особенностями используемых дрожжей.

Чистые культуры дрожжей обязательно применяются при изготовлении шипучих вин. При производстве плодовоягодных вин для каждого вида плодов или ягод подбирают соответствующие расы винных дрожжей, что позволяет получать сорта вин высокого качества.
Для получения хлебного теста используют пекарские дрож­жи, обладающие хорошей подъемной силой и способностью быстро размножаться. Образующиеся в процессе брожения спирт и углекислый газ разрыхляют и поднимают тесто, а побочные продукты брожения придают хлебу особый вкус и аромат.

В производстве хлеба применяют прессованные и жидкие дрожжи, а также закваски. Прессованные дрожжи являются скоропортящимся продуктом и потому должны храниться при низких температурах. Примесь в прессованных дрожжах диких дрожжей и бактерий свидетельствует о их низком качестве.

Жидкие дрожжи изготавливаются непосредственно на хлебозаводах. В отличие от прессованных дрожжей они содержат и молочнокислые бактерии. Вырабатывая молочную кислоту, молочнокислые бактерии препятствуют развитию в тесте картофельной палочки, вызывающей тягучую болезнь хлеба.

Закваски представляют собой тесто, оставляемое от предыдущей выпечки. Их используют для разрыхления ржаного теста. Закваски содержат дрожжи и молочнокислые бактерии. В среду культурных дрожжей, которые применяются в производстве, могут попадать посторонние микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов. Так, дикие дрожжи нередко являются вредителями производства вина и пива. Они изменяют вкус и запах этих продуктов, вызывают их помутнение. Особенно опасны пленчатые дрожжи микодерма. Развиваясь в вине и пиве, они окисляют спирт до углекислоты и воды и придают напиткам неприятный вкус.

Микодерма причиняет вред также при производстве пекарских дрожжей. Процесс получения пекарских дрожжей ведут с продуванием субстрата воздухом, так как это способствует их быстрому размножению. Микодерма в таких условиях развивается быстрее, чем настоящие дрожжи. Поскольку микодерма не обладает способностью поднимать тесто, то присутствие ее в культурных дрожжах резко снижает их пекарские свойства.

Вредителями бродильных производств являются также некоторые виды молочнокислых бактерий, вызывающие помутнение вина и пива. Отдельные представители шаровидных бактерий (педиококки) способны придавать пиву особый привкус и мутность, а иногда ослизнять его. Уксуснокислые бактерии могут вызвать порчу вина в результате окисления спирта в уксусную кислоту.

При спиртовом брожении микроорганизмы превращают углеводы с образованием этилового спирта как основного продукта брожения:

С6 Н12О6= 2СН3СН2ОН + 2СО2

К возбудителям спиртового брожения относятся некоторые дрожжи, главным образом из рода Saccharomyces (S. cerevisiae, S. globosus, S. vini и др.). В небольших количествах спирт может накапливаться в среде, содержащей углеводы, при развитии в ней некоторых грибов из родов Mucor и Fusarium и бактерий (Zymomonas mobilis, Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora и др.).

При доступе кислорода воздуха дрожжи, вызывающие брожение, начинают окислять углеводы, то есть от брожения переходят к процессу аэробного дыхания. В этом случае коэффициент использования углеводов увеличивается. Поэтому для получения большей массы дрожжей, например при производстве пекарских дрожжей, питательную среду, в которой происходит их размножение, аэрируют.

Наоборот, при производстве спирта процесс ведется в анаэробных условиях.

Сбраживание сахаров дрожжами с образованием этилового спирта и СО2 идет по пути Эмбдена - Мейергофа - Парнаса. Кроме этилового спирта, в процессе спиртового брожения образуются так называемые сивушные масла - амиловый, изоамиловый, бутиловый, изобутиловый и другие спирты, являющиеся побочными продуктами обмена некоторых аминокислот - изолейцина, лейцина и валина.

Обычно спиртовое брожение протекает при кислой реакции среды (pH 4-5). Если реакцию питательного субстрата поддерживать на щелочном уровне (pH около 8), то одним из основных продуктов брожения будет глицерин. В этом случае спиртовое брожение выражается следующим; уравнением:

2С6Н12О6 + Н20 --= СН 3СООН - СН3СН2ОН + 2СН2ОНСНОНСН2ОН + 2С02

Еще более резко повышается выход глицерина, если брожение протекает в присутствии сульфита натрия Na2S03. При этом уксусный альдегид связывается сульфитом и не может быть восстановлен водородом в этиловый спирт. Акцептором водорода служит промежуточное соединение диоксиацетонфосфат, который превращается сначала в фосфоглицерин, а после отщепления фосфатной группы образуется глицерин.

В некоторых случаях бывает целесообразно получать глицерин и амиловый спирт с помощью спиртового брожения. Подобные производства были осуществлены практически.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Гексозы обычно усваиваются хорошо, но пентозы могут ассимилироваться лишь весьма ограниченным числом видов дрожжей. Неплохо используются дрожжами дисахариды, но каждый вид этих микроорганизмов способен ассимилировать лишь строго определенный их набор. Перец сбраживанием более сложные сахара под влиянием ферментов дрожжевой клетки распадаются на моносахариды.

Некоторые дрожжи могут усваивать простые декстрины, но крахмал не сбраживают. Лишь после предварительного осахаривания с помощью солода (или другими способами) крахмал становится пригодным для спиртового брожения. На многих заводах для спиртового брожения используют клетчатку, предварительно подвергая ее кислотному гидролизу.

В аэробных условиях дрожжи способны окислять органические кислоты и другие соединения. В качестве источника азотного питания дрожжи потребляют белки, пептоны, аминокислоты, а также аммонийные соли. Дрожжевая клетка вырабатывает многие витамины, а присутствие некоторых ростовых веществ в среде усиливает рост дрожжей. Дрожжи развиваются в относительно широком температурном диапазоне (от 3-5 до 38-40°С).

В процессах брожения могут участвовать низовые и верховые дрожжи. Последних используют для брожения, протекающего при температуре 18-30°С. В этих условиях обычно отмечают обильное выделение углекислоты и пенообразование. Сами дрожжи поднимаются на поверхность бродящей жидкости. Верховые дрожжи, чаще всего расы Saccharomyces cerevisiae, используют в спиртовой промышленности, хлебопечениии т. д., но при некоторых условиях употребляет и другие дрожжи.

Низовые дрожжи применяют для брожения при пониженной температуре (4-10°С). При этом брожение совершается спокойно, и масса дрожжевых клеток остается на дне сосуда. Низовые дрожжи часто используют в пивоваренной промышленности, где обычно применяют также расы Saccharomyces cerevisiae, адаптированные, однако, к жизнедеятельности при пониженной температуре. В виноделии важную роль играют дрожжи рас Saccharomyces vini, S. cerevisiae var. ellipsoides.

Дрожжи могут расти при нейтральной реакции среды, но активнее процессы брожения проходят при некотором ее подкислении. Поэтому в практике для размножения дрожжей создают кислую среду, что также предупреждает развитие посторонней бактериальной микрофлоры, плохо переносящей пониженные pH.

Значение спиртового брожения очень велико. Этот процесс лежит в основе виноделия, пивоварения, производства спирта, хлебопечения. В этих отраслях промышленности широко используют чистые культуры дрожжей, обеспечивающие более правильное течение процесса и повышающие качество продукции.

Дрожжи и близкие к ним организмы используют и для приготовления кормового белка. Культивируя их на средах с дешевым источником углеродного питания (например, на мелассе, отходах целлюлозной или текстильной промышленности, метаноле, этаноле и др.), удается получать значительную массу дрожжей, содержащих полноценный белок. Дрожжи сепарируют и используют для кормовых целей. В последнее время разработан способ выращивания кормовых дрожжей на отходах нефтяной промышленности.

Некоторые виды дрожжей, как и другие микроорганизмы, накапливают в своих клетках большое количество жира. Подобные дрожжи, получившие техническое название «жировые», предложено применять для получения микробиологическим путем жиров, обладающих ценными техническими свойствами. Существуют дрожжи, которые накапливают значительные количества витаминов, на основе чего их используют в производстве витаминов для медицины и сельского хозяйства.

Не все дрожжи приносят пользу человеку, многие способны вызывать только окисление углеводов. Среди небродящих дрожжей имеются вредители пищевых продуктов и вина.

Дрожжи широко распространены в природе - в почвах, на поверхности растений и т. д.