Fermentatsioon on raske protsess süsivesikute lagunemine erinevate mikroorganismide sekreteeritavate ensüümide mõjul, millega kaasneb enamikul juhtudel gaasiliste saaduste (CO 2, H 2 jne) eraldumine ja mis viivad lõpuks selliste ainete moodustumiseni nagu etanool, piimhape jne. Sõltuvalt mikroorganismide ja lõpptoodete tüübist eristatakse mitut tüüpi kääritamist:

Alkohoolne käärimine: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 ─ CH 2 ─ OH + 2CO 2

Glükoosi etanool

Piimhappe kääritamine: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 ─ CHOH ─ COOH

Glükoos Piimhape

Äädikhappe kääritamine: C 6 H 12 O 6 + 2O 2 → 2CH 3 - COOH + 2CO 2 + 2H 2 O

Glükoos Äädikhape

Propioonhappe kääritamine: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 ─ CH 2 ─ COOH + O 2

Glükoospropioonhape

Võikäärimine: C 6 H 12 O 6 → CH 3 ─ CH 2 ─ CH 2 ─ COOH + 2CO 2 + 2H 2

Glükoosvõihape

Sidrunhappe käärimine: 2C 6 H 12 O 6 + 3O 2 → CH 2 ─ COOH

Glükoos

2HO - C - COOH + 4H 2 O

Sidrunhape

Metaanikäärimine: C 6 H 12 O 6 → 3CH 4 + 3CO 2

Glükoos metaan

Alkohoolset kääritamist kasutatakse tööstuses etüülalkoholi tootmiseks, piimhappe kääritamine- v Toidutööstus mitmesuguste piimhappeproduktide saamiseks ja loomakasvatuses sööda silimisel. Mäletsejalistel toimub äädikhape, propioonhape, võihape ja piimhappe kääritamine. Metaani kääritamine põhjustab mitmekambrilise kõhuga loomadel tümpaniat (puhitus). Alkohoolne käärimine erinevalt teistest monosahhariididest, näiteks pentoosidest, on avatud ainult heksoosid. Seda kasutatakse heksoosi eristamiseks pentoosist. Maltoos ja sahharoos kääritatakse pärmiga kergesti, kuid laktoos neid ei kääritata. Pärm sisaldab ensüüme - maltaasi ja sahharaasi, kuid mitte laktaasi ensüümi. Laktoos võib seda lagundavate bakterite mõjul käärida alkohoolse, piimhappe ja võihappega.

Ülesanne: tehke järeldused teemal "Süsivesikud:

Sessioon 5 - Valgu struktuur

Tunni eesmärk: Uurige valkude struktuuri

Reaktiivid: Valgulahused: muna ja želatiin, 1% vasksulfaadi lahus, 10% ja 20% naatriumhüdroksiidi lahused, 0,2% ninhüdriini lahus, 0,5% pliiatsetaadi lahus.

1. Üldised kvalitatiivsed reaktsioonid valkudele: biureet - peptiidsidemele, ninhüdriin - aminohapete a -amino -rühmadele

Meetodi põhimõte. Biureeti reaktsioon on kvalitatiivne reaktsioon peptiidsidemele. Reaktsiooni aluseks on kahe peptiidsidemega vaskioonide kompleksisisese ühendi moodustumine, mis toimivad polüdentaat -ligandidena. V aluseline keskkond valgulahus muutub lahjendatud vasksulfaadi lahuse lisamisel roosakasvioletseks:

H 2 N-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-C = O + 2NaOH + Cu (OH) 2

R1R2R3R4OH

NH-CH-C = N-CH-C-N-CH-C -... 2-

R 4 O R 6 O 2Na +

NH-CH-C-N-CH-C = N-CH-C -...

Reaktsiooni nimetatakse biureetiks, kuna see on iseloomulik ka biuretile, mis koosneb kahest karbamiidimolekulist (NH2-CO-NH-CO-NH2).

Edusammud. Biureedi reaktsioon. I ml uuritud valkude lahuseid valatakse eraldi katseklaasidesse: munavalge, želatiin, vereseerum. Seejärel lisage 1 ml 10 % NaOH lahus ja 2 tilka 5% CuS0 lahust. Pärast segamist ilmneb peptiidsideme juuresolekul katselahustesse violetne värv.

Ninhüdriini reaktsioon... 2 ml uuritud valgulahusele lisatakse 10-12 tilka ninhüdriini, kuumutatakse, täheldatakse sinakasvioletset värvi-aminohapete aminorühma ja ninhüdriini koostoime produkt.

vähendatud ninhüdriin

Sinine-violetne värvusega kondensatsioonitoode

KERNASTAMINE- süsivesikute ensümaatilise muundamise protsesside komplekt, mis viiakse läbi anaeroobsetes tingimustes. B. on sisemine redoksprotsess, mille abil saavad paljud organismid kem. energia glükoosist ja muudest ainetest molekulaarse hapniku puudumisel. B. peetakse kõige lihtsamaks bioli vormiks - mehhanismiks, mis annab toitainetest energiat.

Lõpptoote rolli B-s mängib tavaliselt mõni orgaaniline molekul, mis moodustus B. protsessi käigus ise (alkohol, piim sellele, õli sellele jne). Chem. nende toodete olemus sõltub eelkõige mikroorganismide tüübist, mis teostab süsivesikute anaeroobset muundamist. Suur tähtsus B. -l on ka tingimused bakterite vooluks, sõltuvalt sellest, milline üks ja sama mikroorganism teostab B. mitte ainult erineva kiirusega, vaid ka erinevate toodete moodustumisega.

Biomassi käigus tekkivaid tooteid kasutavad mikroorganismid ise oma elutegevuse (areng, kasv, kogu biomassi kogunemine) käigus osaliselt ära. Chem. esialgse substraadi ümberkujundamisega, mis toimub B. käigus, kaasneb selles sisalduva kemikaali teatud osa kasutamine. (vaba) energia organismi energiavajaduse rahuldamiseks ja selle kogunemine energiarikaste (suure energiaga) ühendite näol, mille tähtsaim esindaja on adenosiintrifosforhape (vt.). Seega on B. üks energiavahetuse tüüpe, mille eripäraks on B -ga kokkupuutuva orgaanilise aine molekulides sisalduva vaba energia madal kasutamise määr. Madal energiatõhusus on tingitud asjaolust, et vaba hapnikku ei kasutata B. protsessis ....

B. intensiivse uurimise algus on seotud pärmirakkude kirjeldamisega [Canyard-Latour (VS Cagniard-Latour) Prantsusmaal ja T. Schwann Saksamaal, 1836-1838]. Seda uurinud teadlaste hulgas tuleks nimetada L. Pasteur ja 10. Liebig. Pasteur, kes nimetas B. -d "eluks ilma hapnikuta", uskus, et seda võivad põhjustada ainult elusad pärmirakud. Seevastu Liebig pidas suhkru kääritamist keeruliseks kemikaaliks. reaktsioon, mis ei nõua elusorganismide osalemist. Pikk vaidlus sel teemal, millel pole mitte ainult teaduslik, vaid ka filosoofiline tähendus, lahenes lõpuks MMManasseina (1871) ja eriti E. Buchneri (1897) tööde tulemusena, kes näitasid võimekust atsellulaarne pärmimahl alkohoolse fermentatsiooni esilekutsumiseks. Seega on tõestatud, et käärimine on ensümaatiline protsess, mis toimub ilma elusrakkude osaluseta.

B. olemuse edasine uurimine näitas, et B. protsessides osalevad terved ensüümsüsteemid, mis varem olid ühendatud üldnimetusega "zymases" (vt Ensüümid). Paralleelselt toimus keemilise aine selgitamine. B ajal tekkinud toodete olemus.

Nende keerukate probleemide lahendamisel mängis silmapaistvat rolli Venemaa ja Nõukogude teadlaste (A. N. Lebedev, L. A. Ivanov, V. I. Palladia, S. P. ja välismaalased [A. Harden, K. Neuberg, O. Meyerhof, G. Embden jt) uurimistöö. ]. Eelkõige pakkus A. N. Lebedev välja uue, lihtsama meetodi atsellulaarse aine saamiseks ensüümipreparaadid pärmist autolüüsi teel (ise seedimine). LA Ivanovi avastus, kes näitas (1905), et alkoholis B ei lagune mitte vaba suhkru molekul, vaid viimase kombinatsioon fosforhappega (fosforüülitud suhkru molekul). B keemia selgitamine. Hilisemad uuringud mitte ainult ei kinnitanud L. A. Ivanovi järeldusi, vaid võimaldasid ka veenduda, et fosforüülimisreaktsioonid B. -s mängivad võtmerolli (vt. Glükolüüs).

Sõltuvalt protsessi käigus moodustunud lõpptoote olemusest eristatakse mitut tüüpi B.

Alkohoolne käärimine

Alkohoolne käärimine viiakse läbi nn. pärmitaolised organismid (Monilia, Oidium jt), samuti mõned hallitusseened (näiteks mukor).

Kõrgemate taimede rakud võivad toota alkoholi ka siis, kui nad on hapnikuvaeses keskkonnas. Nendes tingimustes toimub taimede oksüdatiivne metabolism mööda teed, mis on lähedal alkohoolsele B. Lõpuks, mõnede kõrgemate taimede kudedes (näiteks kasvupunktide rakud või nn meristeem) tekib alkoholi täheldatud ka täieliku hapnikuga varustamise tingimustes. Selliseid protsesse nimetatakse aeroobseks käärimiseks, nende keemilises servas. loodus läheneb ka alkohoolikule B.

Alkohoolset käärimist väljendatakse üldise reaktsioonivõrrandiga: C 6 H 12 O 6 = 2CO 2 + 2C 2 H 5 OH.

Sellest järeldub, et 1 mooli heksoosi täieliku kääritamise korral moodustub 2 mooli süsinikdioksiidi ja 2 mooli etüülalkoholi. Selle protsessi käigus realiseeritud vaba energia kogus peaks teoreetiliselt olema 56 kcal 1 mooli kääritatud heksoosi kohta, mis on vaid väike osa normaalse aeroobse hingamise ajal tekkivast energiast (vt Aeroobid). Seetõttu peavad anaeroobsed organismid (vt Anaeroobid) sama energiakoguse saamiseks kulutama vähemalt 10 korda rohkem suhkruid kui aeroobsed organismid.

Alkohoolse kääritamise kogu võrrandis ei võeta arvesse, et lisaks etüülalkoholile ja süsinikdioksiidile moodustuvad kääritamise käigus väikestes kogustes teatud muud ühendid. Nende hulka kuuluvad amüülalkoholid (vt), butüülalkoholid (vt) ja mõned teised, mis koos moodustavad nn. fuseliõlid (vt.). Alkohoolse B-toodete hulgas leidub ka atseetaldehüüdi, merevaigukollast ja mitmeid muid ühendeid, mis annavad veinile, õllele ja muudele alkohoolsetele jookidele spetsiifilise aroomi ja maitse.

Alkohoolse B. puhul kasutatakse suhkru molekule. erineval määral raskusi. Pärm käärib kõige kergemini glükoosi ja fruktoosi, palju halvem on mannoos ja eriti galaktoos. Sahharoos ja maltoos kääritatakse alles pärast eelhüdrolüüsi. Laktoosi saab kääritada ainult eritüüpi pärmiga, mis sisaldab ensüümi, mis hüdrolüüsib selle disahhariidi, moodustades glükoosi ja galaktoosi.

Hapniku juuresolekul keskkonnas toimub pärmi energiavahetus normaalse aeroobse muundamise teel, mis võimaldab suhkrut kulutada palju säästlikumalt. Hapniku suhkrut säästva toime avastas esmakordselt L. Pasteur, millega seoses sai see tuntuks Pasteuri efekti nime all.

Transformatsioonide esimesed etapid, glükoosi lõikamine läbib alkohoolse B, seisneb suhkrumolekuli aktiveerimises. Aktiveerimine toimub järk -järgult, järjestikku asendades üksikuid reaktsioone. Esimene samm glükoosimolekuli reaktsioonivõime suurendamiseks on selle fosforestri moodustumine. Fosforisisalduse allikas - sa oled adenosiintrifosfaadi (ATP) molekul, servad, andes sellele rühmale, muutub adenosiindifosfaadiks (ADP). Ülejäänud fosfaadi ülekandmine ATP -st glükoosiks toimub ensüümi heksokinaasi osalusel (vt).

See etapp on seotud ATP molekuli ühe suure energiaga sideme energia kulutamisega.

Järgmine samm on glükoos-6-fosfaatmolekuli isomeerimine ja muundamine fruktoos-6-fosfaadiks. Protsessi viib läbi ensüüm glükoosfosfaadi isomeraas [EC 5. 3. 1. 9], mida leidub nii pärmis kui ka paljudes teistes mikroorganismides ja suure hulga kudedes erinevad tüübid taimed ja loomad. Fruktoos-6-fosfaadi aktiveerimine saavutatakse molekuli teise fosforhappejäägi kinnitamisega ja fruktoos-1,6-difosfaadi moodustumisega.

Fosfaadi allikas ja selle reaktsiooni jaoks vajalik energia on samuti ATP molekul. Reaktsiooni katalüüsib ensüüm fosfofruktokinaas [K F 2. 7. 1. 11]. Järgmine etapp on kahe fosfotrioosi moodustumine fruktoos-1,6-difosfaadi molekulist-dioksüatsetoonfosfaat ja glütseraldehüüdfosfaat (GAF). Seda reaktsiooni katalüüsivat ensüümi nimetatakse aldolaasiks (vt.).

Seoses alkohoolses kääritamises osalevate ensüümsüsteemide iseärasustega, kahest nimetatud fosfotrioosist, osaleb edasistes muundumistes ainult GAF, mis peaks kaasa tooma poole esialgse glükoosimolekuli kääritamisprotsessi kaotuse. Kuid seda kadu hoitakse ära spetsiifilise ensüümi - fosfotrioosi isomeraasi - olemasolu tõttu, mis katalüüsib pöörduvat reaktsiooni: dioksüatsetoonfosfaat<->glütseraldehüüdfosfaat. See tagab kogu suhkrumolekuli kasutamise.

GAP oksüdeerumist katalüüsib glütseraldehüüdfosfaatdehüdrogenaas (GAPDH) ja selle tulemusel moodustub energiarikas ühend, 1,3-difosfoglütseraat (1,3 DPG). Üldise reaktsioonivõrrandi saab esitada järgmiselt:

Reaktsioon toimub mitmes etapis: üks GAPDH SH rühmadest on seotud NAD + lisamisega ja kompleksi moodustamisega -

.

Sellele kompleksile lisatakse GAF, see oksüdeeritakse atsüülensüümi moodustumisel:

Seejärel kantakse vesinik üle NAD +-le:

ja atsüüli transportimine anorgaanilisse fosfaatjääki 1,3-difosfoglütseraadi moodustamiseks:

Fosforhappejäägi energiarikas side 1,3 DPG molekulis võimaldab teil moodustada ATP ja 3-fosfoglütserooli:

Fosfaatjäägi intramolekulaarne liikumine fosfoglütseromutaasi osavõtul viib 2 -fosfoglütserooli moodustumiseni - teile, mis seejärel muutub fosfoenolpüroviiniks. Kui fosfoenoolpüuviin defosforüülitakse - teieks ja muudetakse püroviiniks - (püruvaadiks), kantakse eraldatud fosfaat üle ADP -le. Selles etapis moodustatud kahe ATP molekuli energia on energia puhaskasum, mille rakk omandab kogu ülalkirjeldatud protsesside keeruka ahela jooksul. Need protsessid on oma olemuselt universaalsed ja on aluseks mitte ainult alkoholile, vaid ka paljudele muudele B -tüüpidele ja peamiselt homofermentatiivsele piimhappele B., mida nimetatakse glükolüüsiks (vt. On väga oluline märkida, et loetletud reaktsioonid põhjustavad püruvaadi moodustumist, mida kasutatakse bioli, oksüdatsiooni (vt Bioloogiline oksüdatsioon) või hingamise substraadina.

Anaeroobsetes tingimustes saab püruvaati muundada erineval viisil. Seega lõhustatakse alkohoolse B puhul süsinikdioksiid püruvaadist dekarboksülaasi ensüümi osalusel ja moodustub atseetaldehüüd:

CH 3 -CO -COOH → CO 2 + CH 3 CHO.

Spetsiifilise ensüümi (alkoholdehüdrogenaas) osalusel redutseeritakse atseetaldehüüd, moodustades alkoholkäärimise lõpp -produkti, etüülalkoholi. Selle reaktsiooni jaoks vajalik vesinik saadakse redutseeritud koensüümist - nikvõi NAD -H -st. Kui mingil viisil välditakse atseetaldehüüdi redutseerumist (näiteks seostades seda naatriumvesiniksulfitiga), võib NAD-H vesinik koos ensüümi glütserofosfaatdehüdrogenaasi osalusel reageerida fosfotrioosidega ja põhjustada glütserofosfaadi moodustumist ning siis glütserool.

Üks alkohoolse kääritamise kõrvalproduktidest on atsetoiin (atsetüülmetüülkarbinool), CH3-CO-CHOH-CH3, mis moodustub kahe püroviinhappe või püroviinhappe molekuli interaktsioonil atseetaldehüüdiga:

CH 3 COCOOH + CH3COH → CH 3 COCHOH-CH 3 + CO 2.

See moodustub käigus nn. karboligaznoy reaktsioon, servi katalüüsivad pärmirakkudest ja kõrgematest taimedest eraldatud ensüümid. Atsetoiin moodustub ka teist tüüpi B. Acetoiin lahustub kergesti vees, alkoholis ja eetris. Tuleb mainida veel ühte süsivesikute lagunemise vahesaadust B -s, mis on samuti püroviinamhappe derivaat. See on metüülglüoksaal (CH3COCHO), mis keemiliselt tähistab püruvaadi aldehüüdi. Veega kuumutamisel või leelistamisel vesilahused metüülglüoksaal muutub piimaks - selleks. Seda saab moodustada ka ensümaatiliselt - spetsiifilise ensüümi metüülglüoksülaasi toimel. Need ühendid moodustuvad väga väikestes kogustes.

Piimhappe kääritamine

Piimhappe kääritamine, mis on väga oluline, on geneetiliselt seotud alkohoolse kääritamisega. Sel juhul ei ole püruviinhape dekarboksüleeritud, nagu alkoholkäärimisel, vaid redutseeritakse otseselt spetsiifilise laktaatdehüdrogenaasi osalusel NAD-H vesiniku tõttu.

On teada kaks rühma piimhappebakterid... Esimene neist sisaldab homofermentatiivseid baktereid, mis moodustavad ainult piima. Teise rühma piimhappebakterid (heteroensümaatilised bakterid) moodustavad lisaks piimhappele ka äädikhapet ja etüülalkoholi (sageli väga olulistes kogustes), süsinikdioksiid, sipelgate to-that ja mõned muud tooted. Nende toodete suhe sõltub paljudest tingimustest (temperatuur, söötme pH jne). Sageli on see tingitud piimhappebakterite ja pärmi ühisest aktiivsusest. Sellised liigesed "juuretised" on sageli loodud kunstlikult ja neid kasutatakse laialdaselt pagaritööstuses - valmistamisel rukkileib, leivakvasi ja mitmete piimhappe toodete (juust, keefir, jogurt, koumiss jne) tootmisel. Piimhapet B. kasutatakse laialdaselt teile mõeldud piimatoodete tootmisel, mida kasutatakse paljudes toidu-, tekstiili- ja nahatööstuse harudes.

Piimhappebakterid on eriti efektiivsed Thermobacterium cereale tüüpi termofiilsete mikroobide (endise nimega Lactobacillus delbrukii) suhtes. Moodustati piim selleks ja üheks saaduseks süsivesikute muundamisel loomade lihaskoes glükolüüsi käigus.

Võihappe käärimine

Võihappe kääritamist teostavad enamikul juhtudel kohustuslikud anaeroobid, see tähendab organismid, kes võivad eksisteerida ainult hapnikuvabas keskkonnas.

Võihappe kääritamise käigus ei teki mitte ainult võihapet, vaid mõnel juhul väga olulises koguses etüülalkoholi, piim- ja äädikhappeid ning ka gaasilist vesinikku ja süsinikdioksiidi. Orgaaniliste ainete võihappe lagundamine toimub hapniku puudumise või täieliku puudumise tingimustes (sood, märgalad). Pektiini ainete võihappe kääritamisel on suur tööstuslik tähtsus; Samal ajal tuleb seda tüüpi B -d kasutavate bakterite aktiivsust vältida mitmesuguste toiduainete valmistamise ajal, et vältida nende maitse halvenemist ja riknemist (näiteks või, silo, jne.).

Alkohoolne, piimhape ja või B. teised arvukad bioloogia liigid on kas nende erinevad kombinatsioonid või viiakse läbi teatud toodete põhjal, mis tekivad peamise bioloogiatüübi käigus. Seega äädikhappe kääritamine etüülalkoholi oksüdeerumine toimub atmosfääri hapniku osalusel. Seda tüüpi B. viivad läbi spetsiifilised äädikhappebakterid. Äädikhappe B kogu võrrand:

CH3CH2OH + O2 = CH3COOH + H20.

Alkoholivarude ammendumisel oksüdeerivad bakterid nende poolt moodustatud äädikhappe süsinikdioksiidiks ja veeks.

B., mis viiakse läbi O 2 osalusel, hõlmab glükoonhappe kääritamine- glükoonhappe moodustumine glükoosist:

C 6 H 12 O 6 + H 2 O + O 2 → CH 2OH (CHOH) 4 COOH + H 2 O 2.

Selle põhjuseks on teatud bakterid ja hallitusseened. Glükoonhape on väärtuslik ühend, mida kasutatakse laialdaselt meditsiinis ja farmaatsiatööstuses (vt. Glükoonhape).

Sidrunhappe kääritamine viivad läbi mõned vormide esindajad; teatud Aspergillus niger tüved on eriti tõhusad. Esialgne toode on püroviinhape, lõike lõikamine toimub samaaegselt kahes suunas. Osa sellest oksüdeeritakse äädikhappeks, teine ​​aga süsinikdioksiidi lisades moodustab oksaloäädikhappe. Äädikhappe ja oksaloäädikhappe kondenseerumisel moodustub sidrunhape. Lisaks sidrunhappele koos sidrunhappega B. moodustuvad butüülalkohol, atsetoon ja ka etüülalkohol, süsinikdioksiid ja vesinik.

Butanool-atsetooni käärimine viivad läbi anaeroobsed bakterid Clostridium acetobutylicum. Peamised seda tüüpi B käigus tekkinud tooted on n-butüülalkohol, atsetoon, etüülalkohol, süsinikdioksiid ja vesinik. Atsetoäädik - selle (CH 3 COCH 2 COOH) ja atsetoon (CH 3 COCH 3), mis tekkisid selle dekarboksüülimise ajal, samuti β -hüdroksüvõi -, mis moodustavad nn rühma. atsetoonkehad (vt. Ketoonkehad), mis kogunevad erinevate patoloogiliste seisundite ja haiguste korral (diabeet, nälg) loomade veres ja uriinis. Normaalsetes tingimustes oksüdeeritakse need ühendid, moodustades kehale kahjutu süsinikdioksiidi ja vee.

Kõrge majanduslik efektiivsus, eelarvamustega saadud väärtuslike toodete puhtus on biomassi üha laiema kasutamise aluseks rahvamajanduse kõige erinevamates sektorites.

Bibliograafia: Kretovitš V.L. Taime biokeemia alused, M., 1971; Mahler G. ja Yu. Cordes. Bioloogilise keemia alused, tõlk. inglise keelest., M., 1970; Rubin BA Taimefüsioloogia kursus, M., 1971; Racker E. Bioenergeetilised mehhanismid, tõlk. inglise keelest, M., 1967. bibliogr.; Šapošnikov V. N. Tehniline mikrobioloogia, M., 1948; H a s i d W. Z. Suhkrute muundumine taimedes, Ann. Rev. taim Physiol., v. 18, lk. 253, 1967, bibliograaf.