Какие организмы осуществляют спиртовое брожение
Обновлено: 02.07.2024
Накопление этилового спирта в среде в анаэробных условиях наблюдается у разных групп эубактерий и группы эукариотных микроорганизмов — дрожжей.
Способность осуществлять в анаэробных условиях спиртовое брожение по пути, описанному в предыдущем разделе, присуща некоторым эубактериям, принадлежащим к разным таксономическим группам, например Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora.
ventriculiотносится к группе грамположительных анаэробных кокков. Клетки неподвижные; делятся в трех плоскостях, поэтому в культуре часто образуют пакеты, состоящие из 8 и более клеток. Веществом, связывающим клетки в пакетах, служит целлюлоза. Описана способность образовывать эндоспоры. Аэротоле- рантный анаэроб. Единственный способ получения энергии — сбраживание сахаров. Потребность в питательных веществах довольно высока (многочисленные аминокислоты и ряд витаминов).
E. amylovoraотносится к группе энтеробактерий. Это грамотрицательные подвижные палочки. Особенностью вида является его патогенность для растений. Факультативный анаэроб. В аэробных условиях получает энергию в процессе дыхания.
Помимо этилового спирта и С02 в качестве продуктов брожения S. ventriculiв среде накапливается уксусная кислота и выделяется молекулярный водород, у Е. amylovoraнакапливается молочная кислота. Разнообразие конечных продуктов у этих бактерий связано с тем, что пируват, образующийся при сбраживании глюкозы по гликолитическому пути, далее может метаболизировать- ся различно: восстанавливаться до молочной кислоты; подвергаться декарбоксилированию и последующему восстановлению, как описано в предыдущем разделе; подвергаться ферментативному расщеплению, приводящему к образованию ацетата, и др.
У многих клостридиев и энтеробактерий среди продуктов брожения обнаруживают этиловый спирт, но путь его образования отличен от описанного в предыдущем разделе.
Сбраживание сахаров до пировиноградной кислоты происходит по гликолитическому пути, дальнейшее же превращение пирувата идет не через пируватдекарбоксилазу. У названных групп бактерий пируват подвергается расщеплению, приводящему к образованию ацетил-КоА. Реакция катализируется пируватдегидрогеназой. Ацетил-КоА затем восстанавливается до ацетальдегида:
СН3—СО ~ S—КоА + НАД ¦ Н2 —> СН3—СОН + НАД+ + КоА—SH,
а последний — до этанола.
Гетероферментативные молочнокислые бактерии накапливают в среде спирт, метаболизируя глюкозу по окислительному пенто- зофосфатному пути. В результате рада ферментативных превращений образуется ацетилфосфат, восстановление которого в два этапа приводит к появлению молекулы этилового спирта.
Z. mobilis — грамотрицательные подвижные бактерии, имеющие форму коротких палочек. Характеризуются высокими био-синтетическими способностями. Анаэробы, единственный способ получения энергии для которых — спиртовое брожение. Однако эти бактерии способны расти в присутствии молекулярного кислорода. Последний в этом случае используется для окисления части этанола до уксусной кислоты в соответствии с уравнением:
1 глюкоза +102—> 1 этиловый + 1 уксусная + 1,7С02+0,2 молочная.
спирт кислота кислота
Таким образом, молекулярный кислород существенно не меняет характера энергетического метаболизма Z mobilis.В клетках бактерии обнаружены фрагменты ЦТК, цитохромы Ь, с, а2, ката- лаза.
Наиболее вероятным представляется, что предки Z mobilis— аэробы. Способ получения энергии за счет спиртового брожения — более позднее приспособление к условиям обитания.
Основными продуцентами этилового спирта, имеющими широкое практическое применение, являются дрожжи — одноклеточные эукари- отные микроорганизмы, принадлежащие к разным классам высших грибов. Наиболее распространенный способ размножения дрожжей — почкование. Дрожжи — аэробы со сформированным аппаратом дыхания, но в анаэробных условиях осуществляют спиртовое брожение по пути, рас-смотренному в предыдущем разделе, т.е. получают энергию за счет субстратного фосфорилирования. Конструктивный метаболизм дрожжей основан на их хорошо развитых биосинтетических способностях. Есть виды дрожжей, развивающиеся на простых синтетических средах; эти дрожжи способны синтезировать все необходимые им сложные органические соединения. Существуют виды, нуждающиеся в определенных витаминах группы В. Добавление к питательной среде веществ, содержащих ком-плекс витаминов, аминокислот, сахаров, приводит, как правило, к заметному стимулированию роста дрожжей.
Ряд отраслей промышленности основан на жизнедеятельности дрожжей (виноделие, производство спирта, пивоварение, хлебопекарное производство). Сырьем для производства спирта с использованием дрожжей служат углеводы растительного происхождения (картофель, злаки), отходы пищевой (мелассы) и целлюлозно-бумажной (щелока) промышленности, различные сельскохозяйственные отходы, а также гидролизаты древесины. Сбраживание дрожжами виноградного сока лежит в основе виноделия; сбраживание пивного сусла, приготовленного из проросших зерен ячменя, специальными пивными дрожжами — в основе пивоварения.
О путях образования этилового спирта
Брожение (биологическая сущность, процесс, вид и типы, особенности реакции)
Брожение – процесс, который представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций анаэробного расщепления органических субстанций (главным образом углеводов), с помощью которых микроскопические организмы получают необходимую им энергию.
Конечным акцептором отнятых от субстрата в процессе брожения электронов является легковосстановительные органические вещества.
Энергия, которая высвобождается при различных видах брожения, аккумулируется преимущественно в макроэргических фосфатных связях (в основном в виде АТФ).
Кроме энергообразующей функции, реакции брожения выполняют роль поставщика различных метаболитов для анаболических и катаболических синтетических процессов, происходящих внутри клетки.
Получение энергии путем различных видов брожения (так называемый бродильный тип метаболизма) довольно часто встречается у грибов, бактерий, особенно дрожжей, а также простейших. Конечные продукты и пути ферментации и широко варьируют и обусловлены видом микроскопического организма, а также веществом (питательным субстратом) и условиями ферментации.
В зависимости от превалирующих или особо типичных продуктов выделяют:
- спиртовой бродильный процесс, которое осуществляется мукоровыми грибами и дрожжами;
- молочнокислый тип брожения — молочнокислыми бактериями;
- маслянокислый тип бродильного процесса — клостридиями;
- муравьинокислый тип брожения — энтеробактериями;
- лимоннокислый тип брожения — грибами;
- пропионовокислая реакция брожения — пропионовокислые бактериями
- бутанол-ацетоновый вид брожения — клостридиями;
- метановый вид брожения – особыми метановыми бактериями.
Биологическая суть реакции брожения была открыта в середине XIX в.
Реакции на основе бродильного процесса используют в промышленной микробиологии для получения самых разнообразных, часто ценных продуктов, необходимых народному хозяйству, ветеринарии и медицине: лимонной, уксусной, глюконовой кислот, этилового и других спиртов и других активных фармацевтических ингредиентов и аддитивных лекарственных веществ.
Виды брожения
В основе процессов распада безазотистых органических веществ лежат различные формы брожения, которые постоянно происходят в природе. Брожение – анаэробное дыхание, при котором микроорганизмы используют выделяющуюся энергию для своей жизнедеятельности.
Впервые биологическую природу брожения открыл в 60-х годах 19 в.гениальный французский ученый Луи Пастер. Пастеру удалось на примере молочнокислого, спиртового и маслянокислого брожения доказать, что эти процессы вызываются жизнедеятельностью микроорганизмов.
Спиртовое брожение углеводов вызывают дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), некоторые виды бактерий (Sarcina ventriculi) и отдельные представители мукоровых грибов рода Mucor. При спиртовом брожении молекула гексозы распадается на этанол и углекислый газ.
В ходе брожения образуется много промежуточных продуктов — гексозомонофосфат, фруктозодифосфат, фосфотриозы, фосфоглицериновая кислота, фосфопировиноградная кислота, пировиноградная кислота, уксусный альдегид и, наконец, этиловый спирт.
При содержании в сбраживаемом растворе более чем 30% сахара часть его остается неиспользованной, так как при этих условиях образуется до 15% спирта, а при такой концентрации спирт подавляет жизнедеятельность дрожжей.
В течение первого года во многих красных винах происходит второе, спонтанное брожение — яблочно-молочнокислое, которое вызывается рядом молочнокислых бактерий (Prdiococcus, Leuconostoc). В результате этого яблочная кислота винограда превращается в молочную кислоту и СО2, т. е. дикарбоновая кислота превращается в монокарбоновую, и кислотность вина уменьшается, оно становится высококачественным.
Уксуснокислое брожение — биологический окислительный процесс, при котором с помощью уксуснокислых бактерий спирт окисляется в уксусную кислоту.
Если какую-либо жидкость, содержащую небольшое количество спирта (вино, пиво), оставить открытой, то в ней постепенно появляется уксусная кислота и кожистая пленка (уксусная матка) на поверхности. Уксуснокислые бактерии объединены в род Acetobacter, содержащий ряд видов и подвидов. Этиловый спирт под влиянием уксуснокислых бактерий подвергается окислению, в результате которого вначале образуется уксусный альдегид, а затем — уксусная кислота.
При использовании специальных рас уксуснокислых бактерий максимальный выход уксуса достигает 14,5%. Уксуснокислые бактерии превращают ряд многоатомных спиртов в сахар. Одна из таких реакций используется для получения сорбозы из сорбитола. Сорбоза — промежуточный продукт синтеза аскорбиновой кислоты. Она применяется в качестве суспендирующего агента при изготовлении многих лекарственных препаратов. Уксуснокислые бактерии могут наносить вред в виноделии и пивоваренной промышленности, вызывая прокисание вина и пива.
Молочнокислое брожение — широко распространенное биохимическое явление, давно известное на примере скисания молока.
Под влиянием молочнокислых бактерий (семейство Lactobacillaceae)лактоза расщепляется на составляющие ее гексозы — глюкозу и галактозу, которые затем специфическими ферментами превращаются в молочную кислоту. Свертывание молока происходит вследствие того, что молочная кислота отщепляет кальций от казеина, белок превращается в параказеин и выпадает в осадок. Молочнокислые бактерии широко распространены в природе. Они обнаруживаются в молоке, воздухе, на коже, шерсти, в тонком и толстом кишечнике и представлены большим количеством видов палочковидных и кокковидных бактерий, различающихся не только по морфологии, но и физиологическим свойствам (по использованию различных источников углерода и азота).
Маслянокислое брожение также широко встречается в природе.
Возбудитель маслянокислого брожения был открыт Л. Пастером. На примере маслянокислого брожения Л. Пастер разработал учение об анаэробах. Типичный представитель бактерий маслянокислого брожения — азотфиксирующий Clostridium pasteurianum. Маслянокислые бактерии в больших количествах встречаются в почве, навозе, на растениях, в молоке, сыре.
Многие из них являются анаэробами и относятся к роду Clostridium.
Маслянокислое брожение — сложный биохимический процесс расщепления углеводов, в ряде случаев жиров и белков, на масляную кислоту, углекислоту и воду, при этом образуется много побочных продуктов — уксусная, молочная, пропионовая и другие кислоты.
Из числа других форм брожения чрезвычайно важным является брожение целлюлозы (клетчатки), в которой заложены огромные запасы углерода.
Разложение целлюлозы, которая в количественном отношении представляет один из основных компонентов растительных тканей, осуществляется главным образом высоко специализированными в отношении питания аэробными и анаэробными микроорганизмами.
Среди аэробных бактерий, расщепляющих целлюлозу, наиболее важны скользящие бактерии рода Cytjphaga. Целлюлоза — единственное вещество, которое они могут использовать в качестве источника углерода. Цитофаги быстро растворяют и окисляют целлюлозу.
Брожение вина — это сложный процесс, совмещающий точную науку и истинное волшебство, превращение виноградного сока в вино. Конечно, брожение связано не только с вином.
Квашеные овощи, сыр, пышный хлеб, кисломолочные продукты — все это результат жизнедеятельности бактерий для брожения, которые одни органические соединения преобразуют в другие. Давайте разберемся, что же такое брожение и какие его виды применяются в виноделии.
Только в 60-х годах XIX столетия французский ученый Луи Пастер доказал, что брожение жидкости, содержащей сахаристые вещества, происходит оттого, что в ней поселяются, размножаются и живут особые организмы, которые были названы дрожжами или дрожжевыми грибками.
Они размножаются, питаются сахаром и другими веществами, создавая новый продукт, в нашем случае — вино.
При производстве сухих вин сахар должен выбродить практически полностью.
В винах Лефкадии, например, содержится менее 3 граммов сахара, а вот процент алкоголя составляет от 12,5% до 14,8%.
Научное название винных дрожжей — Saccharomyces ellipsoideus (или Saccharomyces cerevisiae). Но каждый вид дрожжей состоит из множества рас.
Каждая раса по-разному реагирует на присутствующие в виноградном сусле вещества и влияет на вино по-своему, как почва или расположение виноградника.
Поскольку дрожжи встречаются почти везде, где растет виноград, то почти в каждой местности, а иногда и в каждом винограднике, есть свои естественные культуры дрожжей. Более стабильные и предсказуемые дрожжевые культуры можно создать в лаборатории.
Спиртовое брожение
Попавшие в сок при благоприятных условиях, дрожжевые грибки начинают очень быстро размножаться. При этом сахар дрожжевые грибки превращают в спирт и углекислый газ, а когда питательная сахарная среда заканчивается, дрожжи умирают и оседают на дне.
Спиртовое брожение можно разделить на три этапа: забраживание (дрожжи приспосабливаются к условиям среды), бурное брожение (заняли весь объем сусла и перешли на анаэробный способ питания), тихое брожение (основной сахар переработан в спирт, дрожжи начинают умирать).
Это стационарный способ брожения, есть и доливной способ, когда вино добавляется постепенно.
Как проходит брожение на винодельне Лефкадии? Например, при ферментации для белого вина важен более тщательный контроль за температурой, чем при производстве красных вин, и требуется периодическое охлаждение сусла.
Для успешной работы винных дрожжей в белом вине необходимо поддерживать температуру в 20 градусов Цельсия.
Брожение на мезге
Отдельной категорией выделяют брожение на мезге. При нем нужно получить не только спирт, но и вывести из ягод красящие, ароматические и прочие вещества. В отличие от брожения виноградного сусла брожение на мезге заключается в сбраживании сусла красных, а в отдельных случаях белых сортов винограда вместе с мезгой с целью обогащения виноматериала ценными веществами, содержащимися в кожице, семенах и гребнях.
Классическую технологию производства красных вин с брожением на мезге на винодельне Лефкадии используют для производства всех красных вин.
Вино обладает бактерицидными свойствами, которые увеличиваются с увеличением концентрации спирта. Тем не менее, в вине могут развиваться бактерии, вызывающие яблочно-молочнокислое, лимонно-яблочнокислое, молочнокислое, маннитное, уксусное и другие виды брожения.
Почти все они приводят к заболеванию вин, за исключением яблочно-молочнокислого брожения, которое сопровождается понижением кислотности и сказывается благоприятно на некоторых винах.
Яблочно-молочнокислое брожение
У производителя всегда есть выбор: проводить яблочно-молочнокислое брожение или нет.
Решение зависит от сорта винограда, региона, желаемого результата, качества урожая и мировоззрения производителя. Это совершенно естественный процесс, в ходе которого молочнокислые бактерии перерабатывают содержащуюся в вине агрессивную яблочную кислоту в более мягкую молочную. Такой метод подходит для снижения общей кислотности красного вина, потому что танины плохо сочетаются с кислотами.
Спиртовое брожение — химическая реакция брожения, осуществляемая дрожжами, в результате которой одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа.
Содержание
Суть реакции
Реакция спиртового брожения подобна гликолизу. Расхождение начинается только после образования пирувата.Конечный этап гликолиза заменяется двумя ферментативными реакциями. Сначала пируват подвергается декарбоксилированию, продуктом которого является ацетальдегид. Данная реакция происходит при участии пируватдекарбоксилазы, ТПФ и ионов магния.
После ацетальдегид восстанавливается водородом, который отщепляется от кофермента НАДН. При этом ацетальдегид восстанавливается до этанола. Собственно, цель спиртового брожения — это окисление NADH, чтобы он мог снова принять участие в гликолизе. Катализатором является алкогольдегидрогеназа.
Таким образом, продуктами спиртового брожения являются этанол и , а не молочная кислота, как в молочнокислом брожении.
В результате получается реакция:
Применение
Применение спиртового брожения сходно с применением дрожжей: пивоварение, квасоварение, приготовление дрожжевого теста, виноделие и производство других алкогольных напитков.
Литература
Источники
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 14 мая 2011.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Спиртовое брожение" в других словарях:
спиртовое брожение — alkoholinis rūgimas statusas T sritis chemija apibrėžtis C₂H₅OH ir CO₂ susidarymas iš sacharidų anaerobinėmis sąlygomis. atitikmenys: angl. alcoholic fermentation rus. спиртовое брожение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ — брожение, при котором растворимые углеводы под влиянием дрожжей и некоторых микроорганизмов распадаются на винный или этиловый спирт и углекислый газ … Словарь ботанических терминов
Спиртовое брожение — процесс превращения углеводов в этиловый спирт и углекислый газ в результате жизнедеятельности микроорганизмов (главным образом дрожжей, принадлежащих к роду Saccharomyces). Широко применяется в пищевой, в том числе спиртовой… … Большая советская энциклопедия
Спиртовое брожение — см. Брожение, Виноделие, Винокурение … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
спиртовое брожение биоотходов — 53 спиртовое брожение биоотходов: Брожение биоотходов, при котором одним из основных конечных продуктов является спирт. Источник: ГОСТ Р 52808 2007: Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
главное спиртовое брожение сусла — Стадия спиртового брожения сусла спиртового производства, характеризующаяся интенсивным сбраживанием сахаров. [ГОСТ Р 52673 2006] Тематики спирт, водка, ликер … Справочник технического переводчика
Брожение — Жизнь микробов возможна и без доступа кислорода воздуха. Энергия, необходимая для жизнедеятельности организма, в этих условиях образуется в результате процессов брожения. Наиболее распространены виды брожений, в процессе которых… … Биологическая энциклопедия
Брожение — пива в пивоварне Брожение (тж. сбраживание, ферментация) «это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а … Википедия
БРОЖЕНИЕ — БРОЖЕНИЕ, брожения, ср. (книжн.). 1. Биохимический процесс, вызываемый микроорганизмами и приводящий к распадению органических веществ (биол.). Молочнокислое брожение. Спиртовое брожение. 2. перен. Недовольство, волнение умов, начинающееся… … Толковый словарь Ушакова
Продукты брожения известны человеку с незапамятных времен, хотя истинная причина этого явления была установлена Л. Пастером только в 1861 г. Он открыл три основных типа брожений: спиртовое, молочнокислое и маслянокислое.
Брожение — это анаэробный метаболический процесс, при котором образуется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата являются как донорами, так и акцепторами водорода окисляемого субстрата.
При сбраживании углеводов и ряда других веществ могут накапливаться такие продукты метаболизма, как спирт, молочная, пропионовая, муравьиная или масляная кислота и др. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются характерными, различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислоое, муравьинокислое брожение. Микроорганизмы, осуществляющие брожение, являются либо строгими, либо факультативными анаэробами.
9.5.1. Спиртовое брожение
Сбраживание углеводов микроорганизмами с образованием этилового спирта и диоксида углерода составляет сущность спиртового брожения. Спиртовое брожение осуществляют дрожжи сахаромицеты, мукоровые грибы и некоторые виды бактерий (Zymomonas mobilis, Sarcina ventricula и др.).
Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить следующим уравнением:
Спиртовое брожение протекает по фруктозодифосфатному пути (гликолитический путь Эмбдена—Мейергофа—Парнаса) (рис. 28).
Рис. 28. Схема спиртового брожения. Ферменты, участвующие в осуществлении спиртового брожения:
Ф1 — гексокиназа; Ф2 — глюкозофосфатизомераза; Ф3 — фосфофруктокиназа; Ф4 — фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза; Ф5 — триозофосфатизомераза; Ф6 — 3-фосфоглицеральдегидцегидрогеназа; Ф7 — фосфоглицераткиназа; Ф8 — фосфоглицеромутаза; Ф9 — енолаза; Ф10 — пируваткиназа; Ф11 — пируватдекарбоксилаза; Ф12 — алкогольдегидрогеназа; Ф13 — глицерол-3-фосфатдегидрогеназа; Ф14 — глицеролфосфатаза
На первой стадии брожения происходит фосфорилирование глюкозы при участии АТФ, изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат, который, в свою очередь, фосфорилируется в положении 1. Затем образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется под действием фермента альдолазы (ключевого фермента гликолитического пути) на две триозы: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат, которые легко превращаются друг в друга при участии фермента триозофосфатизомеразы. Таким образом, первый этап гликолиза характеризуется активированием одной молекулы глюкозы с затратой энергии в виде 2 молекул АТФ.
На второй стадии брожения глицеральдегид-3-фосфат окисляется до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты при участии НАД + и неорганического фосфата. В последующих реакциях превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в пируват обе фосфатные группы переносятся на АДФ ( субстратное фосфорилирование), в результате чего образуются 4 молекулы АТФ. Поскольку на начальных этапах активирования глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ, общий выход составляет 2 молекулы АТФ на один моль сброженной глюкозы.
Центральный метаболит гликолитического пути — пируват — подвергается реакции декарбоксилирования под действием пируватдекарбоксилазы — ключевого фермента спиртового брожения. Образовавшийся при этом ацетальдегид становится акцептором водорода окисляемого субстрата и восстанавливается до этанола при помощи фермента алкогольдегидрогеназы. Биологическое значение последней реакции заключается в окислении восстановленного НАДН2, образовавшегося ранее.
Сбраживание глюкозы до этанола и СО, обычно происходит в слабокислой среде при pH 4—5,5 (первая форма брожения по Нойбергу).
К. Нойберг обнаружил, что в зависимости от условий при спиртовом брожении могут образовываться нехарактерные для этого процесса продукты. Так, если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, добавить бисульфит (NaHSO3), то последний образует комплекс с ацетальдегидом:
Поскольку ацетальдегид заблокирован, он уже не может выполнять роль акцептора водорода, в результате чего водород от НАДН2 передается на дигидроксиацетонфосфат. Этот метаболит восстанавливается до глицерол-3-фосфата и дефосфорилируется с образованием глицерина, как это показано на схеме (рис. 27). Это вторая (глицериновая) форма спиртового брожения по Нойбергу:
Если спиртовое брожение проводить в щелочной среде (например, в присутствии NaHCO3), то также происходит накопление глицерина. Это объясняется тем, что ацетальдегид в щелочных условиях не может являться акцептором водорода окисляемого субстрата, поскольку участвует в реакции дисмутации с образованием этанола и уксусной кислоты. Поэтому акцептором электронов, как и в предыдущем случае, служит дигидроксиацетонфосфат. Процесс брожения в щелочной среде называют смешанной формой спиртового брожения (третья форма брожения по Нойбергу), которую можно представить в виде уравнения:
Дрожжи относятся к аэробным микроорганизмам, но расщепление глюкозы они осуществляют в анаэробных условиях, при этом спиртовое брожение идет очень интенсивно, хотя роста дрожжей почти не происходит.
Спиртовое брожение лежит в основе таких биотехнологических процессов, как производство этилового спирта и глицерина, виноделие, пивоварение, хлебопечение. В некоторых кисломолочных напитках (кефир, кумыс, курунга, мацони) спиртовое брожение осуществляют дрожжи, способные сбраживать молочный сахар.
Производство этилового спирта. Этанол широко применяется в пищевой промышленности, в медицине, парфюмерии, в химической промышленности в качестве растворителя, антифриза, реагента, как топливо для ракетных двигателей и т. д.
В зависимости от используемого сырья этанол подразделяют на пищевой и технический. Для производства пищевого этилового спирта используют растительное сырье, богатое крахмалом (картофель, зерно, отходы крахмало-паточного производства), инулином (топинамбур, корни цикория), а также отходы сахарного производства (меласса) и виноделия. Технический спирт получают из гидролизатов древесины и отходов сельскохозяйственных растений.
Процесс производства спирта из крахмалсодержащего сырья включает следующие операции:
Очистка сырья → Измельчение и разваривание сырья → Осахаривание → Сбраживание осахаренной массы → Фильтрация и перегонка.
В основе производства этилового спирта из картофеля и зерна злаков лежат два биохимических процесса: гидролиз (осахаривание) крахмала, содержащегося в сырье, с помощью амилолитических ферментов, и сбраживание образующихся сахаров дрожжами до спирта и диоксида углерода. Амилолитические ферменты продуцируют грибы видов Aspergillis awamori, A. orizae, A. niger и др. Основу осахаренной массы (затора) составляют углеводы: мальтоза, глюкоза, декстрины. Кроме того, в ней содержатся продукты распада белка (пептиды, аминокислоты), необходимые для азотного питания дрожжей. В затор вносят и дополнительные источники питания, в результате чего получают питательную среду для осуществления спиртового брожения.
Если в качестве сырья используется меласса, то осахаривание не проводят, так как она содержит углеводы в готовой для брожения форме. Мелассу осветляют, разбавляют водой в необходимом соотношении, чтобы получить оптимальную концентрацию сахара.
В подготовленную среду вносят дрожжи и проводят брожение. Возбудителями брожения являются дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae. Спиртовые дрожжи должны обладать высокой бродильной активностью, быть устойчивыми к высокому содержанию спирта в культуральной среде и к инфекции. Они должны также обладать способностью расщеплять некоторые олигосахариды (в частности мальтозу) до глюкозы.
При сбраживании сусла из крахмалсодержащего сырья применяют дрожжи S. cerevisiae штамм XII, выделенные из хлебопекарных прессованных дрожжей в 1902 г. Они хорошо сбраживают мальтозу, сахарозу, но не сбраживают конечные декстрины. Проведена селекция термотолерантных дрожжей, позволяющих ускорить процесс выращивания производственных дрожжей и сбраживания сусла из крахмалсодержащего сырья, частично гидролизовать и сбраживать конечные декстрины, увеличить выход спирта. В результате селекции получены термотолерантные штаммы дрожжей 985-Т и 717. Новый селекционированный штамм дрожжей 985-Т устойчив к повышению температуры до 38 °С и концентрации СВ в питательной среде до 30 %. Получен осмофильный штамм 987-0, устойчивый к высоким концентрациям сусла, но не обладающий термотолерантными свойствами. Его оптимальная температура роста 30—32 °С.
На спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу, широко применяются штаммы дрожжей Я, Ял (лохвицкий), В (венгерский). Эти штаммы хорошо сбраживают сахарозу, глюкозу, фруктозу и лишь 1/3 рафинозы. Новый штамм У-2492 сбраживает больший спектр сахаров.
В спиртовом производстве применяют периодическое или непрерывно-проточное культивирование дрожжей, используя для этого батарею ферментеров. Для подавления размножения в ферментерах посторонней микрофлоры затор подкисляют серной кислотой или культуральной средой молочнокислых бактерий. Сбраживание затора проводят в анаэробных условиях при температуре 28—30 °С в течение
5—6 сут. Под действием ферментов дрожжей углеводы сбраживаются и получается зрелая бражка с содержанием спирта 9—11 %. Из бражки спирт выделяют перегонкой.
Виноделие. Вино — алкогольный напиток, получаемый обычно путем сбраживания виноградного сока винными дрожжами. В зависимости от сорта винограда цвет вина считается белым, розовым или красным.
Виноградные вина разделяют на:
✵ столовые (сухие), содержащие от 9 до 14 % спирта и сахара 0,2—0,6%;
✵ десертные или крепкие вина, содержащие до 22 % спирта. Десертные вина могут быть натуральными и креплеными, в которые добавляют виноградный спирт. В полусладких десертных винах содержание сахара составляет 3—7 %, в сладких — около 16 %;
✵ шипучие вина с избытком растворимой в них углекислоты, получаемой при брожении или искусственно введенной (игристые вина).
Технология вина включает дробление винограда, отделение сусла, прессование мезги, сбраживание сусла и снятие с осадка.
С целью подавления развития нежелательной микрофлоры и регулирования окислительно-восстановительных процессов сусло сульфитируют (вводят SO2).
Подготовленное для брожения сусло пастеризуют, охлаждают и перекачивают в бродильные емкости. Для брожения используют культурные дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae (синонимы S. ellipsoides, S. vini). Они должны обладать ценными производственными свойствами: сбраживать сусло при низких температурах (13—15 °С) для подавления развития нежелательной микрофлоры; быть устойчивыми к высоким концентрациям спирта (до 18 %) и диоксида углерода, обладать кислототолерантностью, быстро оседать после брожения и давать плотный осадок. Чистые культуры винных дрожжей выделены и селекционированы для определенных типов вин.
В процессе главного брожения, длительность которого составляет 8—10 сут, выделяется тепло. Поэтому брожение следует проводить при постоянной температуре и равномерном отводе тепла с помощью охладительных систем. По окончании брожения проводят отстаивание и снятие сбродившего вина с осадка.
Уксусное скисание — одна из наиболее распространенных и опасных болезней вина, вызываемая развитием уксуснокислых бактерий родов Acetobacter или Gluconobacter. Этому виду порчи более подвержены столовые белые вина, особенно при высокой температуре хранения (28—30 °С). Болезнь развивается при доступе к вину кислорода воздуха, в основном при хранении в незаполненных емкостях. В начале заболевания на поверхности вина появляется тонкая беловатая пленка, которая в дальнейшем опускается на дно. Вино приобретает резкий запах и вкус уксусной кислоты, возникает колющее и царапающее ощущение в горле. Для устранения порока на ранних стадиях рекомендуется пастеризация вина с последующей его оклейкой, фильтрацией, сульфитацией. Если вино в значительной мере подверглось уксусной порче, то его можно использовать только для изготовления винного уксуса. Профилактика этого заболевания состоит в хранении вина в заполненных емкостях при низких температурах, соблюдении режимов сульфитирования, соблюдении санитарно-гигиенического режима производства.
Винная цвель — вид порчи, вызываемой аэробными пленчатыми дрожжами родов Candida, Pichia и так называемыми апикулятными (лимоновидными) дрожжами родов Uansenula и Hanseniaspora. Заболевают чаще молодые вина с невысоким содержанием спирта (до 12 %). При развитии указанных дрожжей на поверхности вина появляется сначала тонкая гладкая пленка, которая впоследствии разрастается, уплотняется, становится морщинистой, поднимается по стенкам сосуда. Вино становится мутным, приобретает неприятный запах и острый вкус за счет образования летучих кислот и эфиров.
Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.
Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.
Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.
Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.
Спиртовое брожение вызывают различные микроорганизмы. Чаще всего 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 – это главный конечный продукт брожения.
Дрожжи широко распространены в природе. Они 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 все, так называемые, "дикие дрожжи". Культуры дрожжей, применяемых в пищевой промышленности, выделены путем длительной селекции 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 счет аэробного дыхания. Из соединений углерода дрожжи лучше всего 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, поэтому аммонийные соли могут быть единственными источниками азота. Для нормальной жизнедеятельности дрожжи нуждаются в соединениях 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 все необходимые для роста витамины синтезировать сами. Микроэлементы (железо, медь, кобальт) повышают активность ферментов дрожжей.
Первая форма брожения по Нейбергу. Перед началом спиртового брожения олигосахара вначале гидролизуются соответствующими ферментами дрожжей до гексоз. Затем гликолитическим путем осуществляется расщепление гексоз и образование ПВК. Под действием пируватдекарбоксилазы микроорганизмов от ПВК отщепляется СО2 и образуется ацетальдегид:
Ацетальдегид служит конечным акцептором водорода. Он восстанавливается в этанол при участии фермента алкогольдегидрогеназы. Брожение предполагает строгое равновесие процессов окисления и восстановления. Поэтому НАД, восстановленный на одном из этапов брожения, должен окисляться на другом этапе. Окисление НАДН2 происходит одновременно с восстановлением ацетальдегида в этанол:
Таким образом, при спиртовом брожении основным продуктом превращения сахаров является этанол и СО2. Такой процесс Нейберг назвал первой формой брожения (рисунок Г.1). Суммарная реакция первой формы брожения: С6Н12О6 → 2 СН3СН2ОН + 2 СО2
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 СО2 диффундируют из клетки в окружающую среду. При увеличении концентрации сахара увеличивается осмотическое давление в дрожжевых клетках, происходит плазмолиз, в результате чего в клетках накапливается спирт и процессы метаболизма нарушаются.
Вторая форма брожения по Нейбергу. Ход брожения может заметно меняться в зависимости от конкретных условий. Если в культуру бродящих дрожжей добавить бисульфит натрия, то он связывает уксусный альдегид. Значит, ацетальдегид блокируется и исключается из последующего процесса:
В таких условиях акцептором водорода, оторванного от НАДН2, является фосфоглицериновый альдегид, который превращается в глицерин-3-фосфат, а затем дефосфорилируется с образованием глицерина. Суммарная реакция второй формы брожения:
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 NaHСO3 или Na2HРO4). В этих условиях ацетальдегид окисляется НАД-зависимой дегидрогеназой в уксусную кислоту. Образовавшийся на этой стадии НАДН2 используется для восстановления эквивалентного количества ацетальдегида в этанол. Одновременно НАДН2, 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:
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, т.е. времени, необходимого для накопления ацетальдегида. Таким образом, 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 СО2 и Н2О. Кроме того, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) обеспечивает клетки рядом метаболитов, необходимых для дальнейших биосинтетических реакций. В энергетическом отношении дыхание более выгодно, чем брожение. Поэтому 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 СО2, но способствует активному размножению дрожжевых клеток. Этот эффект используется в дрожжевом производстве, где необходимо, 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) называется 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:
Читайте также: