Анаэробиоз и прекращение брожения — Регулирование процесса брожения

Брожение в анаэробных условиях

Спиртовое брожение и химизм

Брожение — это процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе брожения в результате сопряженных окислительно-восстановительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов, и образуются химические соединения, которые микроорганизмы используют для биосинтеза аминокислот, белков, органических кислот, жиров и др. компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты брожения. В зависимости от их характера различают брожения спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое и др. виды. Характер брожения, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление брожения зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых брожение протекает (pH, аэрация, субстрат и др.).

К брожению в строгом смысле слова относятся те процессы получения энергии, при которых отщепляемый от субстрата водород переносится, в конечном счете, на органические акцепторы. Кислород в процессах брожения не участвует.

Л. Пастер называл брожение жизнью без воздуха. Причины брожения были установлены еще в середине XIX в. Л. Пастером, который показал, что в аэробных условиях дрожжи образуют из определенного количества сахара примерно в 20 раз больше клеточного материала, чем в анаэробных. Он открыл также, что кислород подавляет брожение. Этот эффект, получивший название эффекта Пастера, приобрел с тех пор известность как один из классических примеров регуляции обмена веществ.

В 1896-1897 гг. было обнаружено «бесклеточное брожение» — брожение, вызываемое растертыми прессованными пивными дрожжами. Это первый сложный биохимический процесс, осуществленный вне клетки.

Позднее было установлено, что для сбраживания глюкозы дрожжам необходим неорганический фосфат. Иначе говоря, брожение — процесс превращения соединений углерода, как в анаэробных, так и аэробных условиях [2 с.117].

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

С6Н12О6 = 2С2Н2ОН + 2СО2 + 27 ккал

Сахар Этиловый Углекислый

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

Рассмотрим 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 пировиноградной кислоты. Превращение пировиноградной 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 + СО2 + 166 кДж/моль.

С энергетической точки зрения брожение — процесс малоэффективный. Так, если при окислении 1 граммолекулы глюкозы до СО2 и Н2О в процессе аэробного дыхания синтезируется 36 мольАТФ, 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 СО2 — 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 СО2. 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.

Статья по теме:   Теория окислительно-восстановительных процессов

Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, 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. [2 с.118]

Использование спиртового брожения

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 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 мальтозасолодовый сахар. Крахмалсодержащее сырье разваривают и подвергают осахариванию. Источником амилолитических ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зерен ячменя, или ферментный препарат из грибов рода Aspergillus.

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. [4 с. 204]

Понятие о брожениях. Окислительно-восстановительные процессы при брожениях. Виды брожений;

Броже́ние — метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Брожение — это анаэробный (происходящий без участия кислорода) метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы. По выражению Луи Пастера, «брожение — это жизнь без кислорода». Большинство типов брожения осуществляют микроорганизмы — облигатные или факультативные анаэробы.

Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества. Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза. Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов — единственный источник АТФ в анаэробных условиях.

Статья по теме:   Понижение грунтовых вод - Агротехника

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высокоокисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до двуокиси углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Фосфолирирование субстратное, есть гликолиз, превращение одного субстрата в другой с выделением энергии, затем пируват.

1) Спиртовое брожение (осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий). Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии.

2) Молочнокислое брожение осуществляют молочнокислые бактерии и другие организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус. Молочнокислое брожение происходит также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемая дыханием, и кровь не успевает доставлять кислород. Обжигающие ощущения в мышцах во время тяжелых физических упражнений соотносятся с получением молочной кислоты.

3) Уксуснокислое брожение осуществляют многие бактерии. Уксус (уксусная кислота) — прямой результат бактериальной ферментации. При мариновании продуктов уксусная кислота предохраняет пищу от болезнетворных и вызывающих гниение бактерий.

4) Маслянокислое брожение приводит к образованию масляной кислоты; его возбудителями являются некоторые анаэробные бактерии рода Клостридиум.

Использование микроорганизмов в пищевой промышленн

Важнейшими биохимическими процессами, вызываемыми микроорганизмами, являются различные виды брожения — спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое и др.

Брожение — это анаэробное разложение углеводов на конечные продукты, которые более не разлагаются. Этот процесс происходит без участия молекулярного кислорода. У различных микроорганизмов продукты брожения различны и зависят в основном от набора ферментов и условий протекания процесса.

Спиртовое брожение.

Спиртовое брожение протекает в анаэробных условиях или при ограниченном доступе воздуха. Необходимую для жизнедеятельности энергию дрожжи получают, расщепляя углеводы на спирт и СО2, т. е. в ходе самого процесса брожения. Пригодны для спиртового брожения простые сахара с 6 углеродными атомами в молекуле — гексозы. Возбудители спиртового брожения — дрожжи семейства Сахаромицетес (сахарные грибы) и некоторые виды плесневых грибов. При наличии кислорода дрожжи ведут себя как аэробные организмы и необходимую энергию получают в результате дыхания, окисляя сахара до СО2 и воды. Спиртовое брожение лежит в основе технологии получения спирта, вина, пива, кваса и других продуктов. В общем виде процесс спиртового брожения выражается уравнением Гей-Люссака:

Превращение сахара в спирт в результате жизнедеятельности дрожжей является сложным ферментативным процессом. Он проходит ряд промежуточных стадий, каждая из которых вызывается особым ферментом. Большую роль в процессе спиртового брожения играет фосфорная кислота, обеспечивающая действие механизма переноса энергии. Спиртовое брожение возникает самопроизвольно там, где есть сахарсодержащие жидкости и нет доступа воздуха. Дрожжи практически всегда содержатся в субстрате или в окружающей среде.

Молочнокислое брожение.

Молочнокислое брожение представляет собой анаэробное превращение молочного сахара — лактозы под действием молочнокислых бактерий с образованием молочной кислоты. Этот вид брожения открыл и впервые описал Пастер. Процесс протекает по уравнению

С6Н12О6 (Лактоза) -> 2СН3СНОНСООН (Молочная кислота) + Энергия.

Статья по теме:   Сорт винограда Киси

При этом брожении наряду с молочной кислотой образуются побочные продукты.

По характеру вызываемого брожения различают все группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные.

Гомоферментативные бактерии образуют при брожении только молочную кислоту как единственный продукт, гетероферментативные наряду с молочной кислотой образуют значительные количества побочных продуктов (уксусную кислоту, спирт, СО2, водород и некоторые ароматические вещества).

При молочнокислом брожении превращение сахара протекает так же, как при спиртовом брожении, до образования пировиноградной кислоты. Далее химизм этих двух типов брожения расходится. При действии гомоферментативных молочнокислых бактерий пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту:

СН3СОСООН + Н2 (Пировиноградная кислота) -> СН3СНОНСООН (Молочная кислота)

Процесс гетероферментативного молочнокислого брожения более сложен и менее изучен. Возбудители брожения — молочнокислые бактерии — анаэробные неподвижные микроорганизмы палочковидной или шарообразной формы. Многие отличаются большой кислото- и спиртоустойчивостью. По отношению к температуре среди молочнокислых бактерий есть как мезофилы (оптимум роста 25-30 °С), так и термофилы (оптимум роста около 45 °С). В природе молочнокислые бактерии встречаются в молоке, на различных растениях, овощах, плодах и в почве.

Молочнокислые бактерии применяют в промышленности для получения кисломолочных продуктов: простокваши, творога, сметаны, кефира, кислосливочного масла, ряженки, варенца, сыра и др. Их используют также для квашения овощей и силосования кормов.

Молочнокислое брожение происходит при приготовлении ржаного теста. Используют молочнокислые бактерии также для производства молочной кислоты, которая применяется для подкисления продуктов в консервной, кондитерской промышленности, в производстве безалкогольных напитков и др.

Попавшие извне молочнокислые бактерии и вызываемое ими самопроизвольное брожение может привести к порче ряда продуктов — закисанию вин, пива, фруктовых и ягодных соков.

Пропионовокислое брожение.

Этот вид брожения заключается в превращении сахара, молочной кислоты или солей в пропионовую и уксусную кислоты:

6Н12О6 (Сахар) -> 4СН3СН2СООН (Пропионовая кислота) + 2СН3СООН (Уксусная кислота) + 2СО2 + 2Н2О + Энергия;

3СН3СНОНСООН (Молочная кислота) -> 2СН3СН2СООН (Пропионовая кислота) + СН3СООН (Уксусная кислота) + СО2 + Н2О + Энергия.

Химизм пропионовокислого брожения схож с химизмом спиртового и молочнокислого: во всех случаях молочная кислота является как бы промежуточным продуктом.

Этот вид брожения вызывают пропионовокислые бактерии — короткие неподвижные бесспоровые палочки, грамположительные анаэробы. Оптимальная температура развития 30-35 °С.

Маслянокислое брожение.

Маслянокислое брожение представляет собой сложные процессы превращения сахара маслянокислыми бактериями и протекает в анаэробных условиях. Продуктами брожения являются масляная кислота, СО2 и водород:

В качестве побочных продуктов при брожении образуются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт и уксусная кислота. Маслянокислые бактерии — подвижные, довольно крупные палочки, строгие анаэробы, образуют термоустойчивые споры. Оптимальная температура развития 30-40 °С. Бактерии чувствительны к кислой среде (оптимум рН 6,9-7,3).

Маслянокислые бактерии относятся к роду Клостридиум. Многие из них способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные углеводы: декстрины, крахмал, пектиновые вещества и др.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они постоянно обитают в почве, илистых отложениях на дне водоемов, скоплениях разлагающихся растительных остатков. Встречаются маслянокислые бактерии и в различных пищевых продуктах.

Маслянокислое брожение приносит значительный ущерб народному хозяйству, вызывая гибель картофеля и овощей, вспучивание сыра, порчу консервов (бомбаж), прогоркание масла и др. Маслянокислые бактерии могут вызвать также порчу заквашенных овощей — обильное выделение газов и острый запах масляной кислоты придают продукту неприятный вкус и запах.

Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты. Сырьем служит дешевое сахаросодержащее сырье: картофель, отходы крахмало-паточного производства и др.

Ацетонобутиловое брожение.

Этот вид брожения сходен с маслянокислым, но при нем образуется значительно больше бутилового спирта и ацетона. Кроме того, в процессе ацетонобутилового брожения накапливаются этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются СО2 и водород. Возбудители брожения — спорообразующие подвижные палочки, анаэробы.

В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. Оба эти продукта брожения широко используют в химической промышленности.

Источники:

http://studbooks.net/1147159/prochie_distsipliny/brozhenie_anaerobnyh_usloviyah
http://studopedia.su/15_6353_ponyatie-o-brozheniyah-okislitelno-vosstanovitelnie-protsessi-pri-brozheniyah-vidi-brozheniy.html
http://www.comodity.ru/microbiology/activity/3.html

Ссылка на основную публикацию

Adblock
detector