logo logo

Брожение спиртовое

Брожение спиртовое, брожение алкогольное, биохимический процесс расщепления сахаров, происходящий в результате жизнедеятельности микроорганизмов или под влиянием выделенных ими ферментов.

Приготовление спиртных напитков, основанных на брожении спиртовом, было известно людям в глубокой древности. Однако суть процесса превращения сахаров в спирт выяснена только в сер. 19 в. Химическое уравнение брожения спиртового дано французскими химиками А.Лавуазье (1789) и Ж.Гей-Люссаком (1815). Разноречивые мнения о сущности брожения привели к длительному научному спору между Л. Пастером и Ю. Либихом. Согласно химической теории Ю. Либиха молекулярные колебания белковых веществ передаются сахару, расшатывают его молекулу, превращая ее в молекулы спирта и диоксида углерода. Убедительные опыты Пастера в 1857 с использованием микроскопических организмов — дрожжей отвергли несостоятельную теорию Либиха. Пастером была защищена биологическая теория, определяющая брожение как результат анаэробного обмена веществ дрожжей. Работами С. П. Костычева и В. И. Палладина доказано, что анаэробный распад молекулы сахара является начальным этапом кислородного дыхания. В 1871 рус. врач-биохимик М. М. Манассеина первая указала на возможность бесклеточного брожения спиртового, а в 1897 братьями Э. и Т. Бухнер была раскрыта ферментативная сущность реакций процесса благодаря использованию простого метода получения бесклеточного дрожжевого сока, разработанного русским биохимиком А.Н. Лебедевым. Процесс брожения спиртового исследовался многими выдающимися отечественными и зарубежными биохимиками и физиологами: Л. А. Ивановым, А. Гарденом, К. Нёйбергом, Г. Эмбденом, О. Мейергофом, Я. Парнасом и др. Первый значительный шаг в изучении химизма брожения спиртового был сделан Ивановым и Лебедевым, доказавшими участие фосфатов в брожении сахарных растворов. Большое значение имело открытие Иванова, доказавшего, что анаэробному распаду при брожении подвергается не свободная молекула гексозы, а предварительно образующийся ее фосфорный эфир. Последующее изучение механизма Б. с. показало, что первым этапом химических реакций является гликолиз, объединяющий реакции, протекающие в живых клетках до образования пировиноградной кислоты. Эти реакции осуществляются с тем же запасом энергии и тем же ферментативным путем как в анаэробных (спиртовое брожение), так и в аэробных условиях (дыхание).

Последовательность и взаимосвязь отдельных реакций, протекающих на промежуточных этапах брожения, схематически представлена ниже (молекула глюкозы для простоты изображена в виде цепи).

1.            Фосфорилирование D-глюкозы за счет АТФ с образованием глю-
козо-6-фосфата. Эта первая реакция гликолиза катализируется тексо-
киназой. В клетке количество свободной D-глюкозы сравнительно не
велико; большая ее часть находится в фосфорилированной форме:
АТФ + D-глюкоза – АДФ + D-глюкозо-б-фосфат.
2.            Превращение D-глюкозо-б-фосфата во фруктозо-6-фосфат в результате реакции изомеризации, катализируемой фосфогексозоизомеразой:
D-глюкозо-б-фосфат # D-фруктозо-б-фосфат.
3.            Фосфорилирование D-фурктозо-б-фосфата путем присоединения
еще одного остатка фосфорной кислоты с образованием фруктозо-1,
6-дифосфата. В этой второй „пусковой" реакции используется еще
одна молекула АТФ при участии фермента фосфофруктокиназы. Доказано, что суммарная скорость гликолиза лимитируется именно
этой реакцией, катализируемой фосфофруктокиназой:
АТФ + D-фруктозо-б-фосфат -> АДФ + О-фруктозо-1, 6-дифосфат.
4.            Расщепление фруктозо-1, 6-дифосфата на 2 фосфотриозы: глицер-
альдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат. Реакция катализируется
альдолазой:
0-фруктозо-1, 6-дифосфат «^диоксиацетонфосфат + D-глицеральде-гид-3-фосфат.
5.            В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только одна из двух образующихся фосфотриоз, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако и диоксиацетонфосфат благодаря присутствию в клетке специфическ. фермента триозофосфатизомеразы полностью преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат. В результате
этой реакции обеспечивается полное использование глюкозы в энергетическом обмене клетки:
диоксиацетонфосфат «± D-глицеральдегид-З-фосфат.
6.            Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерата. Реакция катализируется специфической дегидрогеназой триозофосфата (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназой) и называется реакцией гликолитического окисления-восстановления. Окисление глицеральдегид-3-фосфата, катализируемого дегидрогеназой, является единственный окислительным этапом на всем протяжении гликолиза. Однако кислород в этой реакции не участвует. Требуется лишь присутствие окислителя НАД + , который при этом восстанавливается до НАД • Н (символом НАД обозначается окислительно-восстановительный кофермент никотинамид-адениндинуклеотид, НАД+ — его окисленная форма,
НАД-Н— восстановленная):
D-глицеральдегид-З-фосфат  + НАД+  + Фн -> 1,3-дифосфоглицерат +НАДН + Н + .
7.            Перенос фосфатной группы от 1,3-дифосфоглицерата на АДФ. Под
действием двух ферментов (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы и
фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении
альдегидной группы до карбоксильной, запасается в форме энергии
фосфатных связей АТФ.

1,3-Дифосфоглицерат + АДФ # 3-фосфоглицерат + АТФ. Глицеральдегид-3-фосфат + Фн + АДФ + НАД+ <* 3-фосфоглицерат + + АТФ + НАД-Н + Н+.         (к реакциям 1 и 3)
8.            Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат катализируется
фосфоглицеромутазой:
3-фосфоглицерат <± 2-фосфоглицерат.
9.            Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата катализируется енолазой:
2-фосфоглицерат # фосфоенолпируват + N20.
10.          Перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата на,АДФ с
образованием пирувата и АТФ катализируется пируваткиназой (АТФ:
пируват-фосфотрансферазой):
фосфоенолпируват + АДФ ^ пируват + АТФ. Образование пировиноградной кислоты — поворотный этап анаэробного расщепления сахара, являющийся общим для дыхания, гликолиза и брожения всех видов. Основное значение гликолиза состоит в перестройке структуры молекулы глюкозы в высокоактивный и лабильный в химическом отношении пируват, что облегчает биохимическ. превращение исходного субстрата на последующих этапах окислительно-восстановительных процессов.
11.          Если кислород отсутствует, то дальнейшие превращения пировиноградной кислоты происходят анаэробным путем, в процессе брожения (молочнокислого, спиртового и др.). При брожении последний этап гликолиза, катализируемого лактатдегидрогеназой, заменен двумя др.
ферментативными реакциями, при участии соответственно пируват-декарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. В результате этих реакций образуется этиловый спирт — конечный продукт спиртового брожения.
А. Пируват -+> Ацетальдегид + СO2 (необратимая реакция). Б. Ацетальдегид + НАД-Н + Н+ «± Этанол + НАД+. Суммарное уравнение спиртового брожения: С6Н1206 + 2Фн + 2АДФ -> 2С,Н5ОН + 2СO2 + + 2АТФ. При введении специфическихингибиторов формы брожения спиртового изменяются.
Вторая форма брожения Нёйберга. Для получения глицерина в сбраживаемую среду вводят бисульфит натрия, который связывает ацетальдегид и предотвращает этим реакцию восстановления его до спирта. Водород восстановленного НАД- Н2 в этом случае используется на восстановление фосфоглицеринового альдегида до глицерина (реакции 4 и 5). Таким образом, при брожении сульфитированного виноградного сусла происходит накопление в виноматериалах глицерина и ацетальдегида в виде бисульфитного производного. Эту форму брожения называют глицеропировиноградным брожением. Третья форма брожения Нёйберга. При щелочной реакции среды ход брожения изменяется: половина молекул ацетальдегида окисляется до уксусной кислоты, другая — восстанавливается до этилового спирта. Происходит подкисление субстрата.
В процессе брожения спиртового в отсутствие кислорода воздуха высвобождается лишь незначительная часть энергии (117кДж), потенциально заложенной в одном моле глюкозы (2817кДж), тогда как при дыхании — полном окислении глюкозы до СO2 и Н20 — значительно больше (1504кДж). Доступ кислорода, обеспечивающий более эффективное в энергетическом отношении аэробное дыхание, предохраняет клетки от излишних трат веществ, происходящих в процессе анаэробиоза. Подобное действие кислорода, выражающееся в угнетении брожения дыханием в значительном снижении потребления глюкозы, названо Пастера эффектом. Явление торможения дыхания дрожжей и активация брожения при аэрации получило название Крэбтри эффекта.
При брожении спиртовом кроме основных продуктов распада углеводов — этилового спирта и углекислого газа — образуются вторичные продукты (глицерин, янтарная кислота, ацетальдегид, уксусная, пировиноградная, молочная и лимонная кислоты, 2,3-бутиленгликолъ, ацетоин, диацетил, эфиры, высшие спирты). Исходным продуктом образования большинства вторичных продуктов является ацетальдегид, который в дозе 400мг/дм3 угнетает брожение, а при более высоких его дозах дрожжи теряют жизнеспособность. Поэтому для дрожжей является физиологической необходимостью превращать ацетальдегид в более безвредные продукты — в этиловый спирт и вторичные продукты, играющие важную роль в обмене веществ дрожжевой клетки и обогащающие вина полезными компонентами, обусловливающими их букет и вкус. При брожении дрожжи выделяют в среду сульфгидрильные SH-соединения (глютатион, цистеин), снижающие редокспотенциал Eh, являющийся важным показателем технологического процесса, т.к. развитие вина, начиная с выдержки и кончая созреванием и старением, связано в основном с течением окислительно-восстановительных реакций. Количество таких соединений обусловлено особенностями расы дрожжей и условиями брожения. Многочисленные исследования окислительно-восстановительных процессов и редокссистем сусла и вина проведены А. К. Родопуло. На брожение спиртовое, кроме виноделия, основано пивоварение, производство этилового спирта, глицерина, приготовление теста в хлебопечении.

Метки:, ,

Ещё по теме:

bottom