Брожение

Брожение — процесс анаэробного распада углеводов на более простые соединения с выделением энергии, совершающийся при участии некоторых микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Одним из примеров брожения является спиртовое брожение, вызываемое дрожжами и заключающееся в разложении Сахаров на спирт и углекислый газ. Известны также молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое брожение и др. Способность микроорганизмов вызывать брожение с накоплением специфических для них продуктов используют в промышленности для массового получения этих веществ (например спиртовое брожение — для получения спирта; молочнокислое — при производстве кефира и т. п.). На свойстве некоторых патогенных микроорганизмов сбраживать те или иные углеводы основаны методы выращивания бактериальных культур и идентификации возбудителей.

Брожение — процесс распада органических веществ (преимущественно углеводов) под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Как и дыхание, брожение включает окислительно-восстановительные превращения субстрата, связанные с выделением энергии. Но, в отличие от дыхания, брожение не приводит к образованию воды и углекислого газа, а заканчивается накоплением недоокисленных продуктов (спирт, молочная кислота, масляная кислота и др.). Под брожением обычно понимают анаэробный процесс, однако к этой же группе превращений несколько условно относят также уксуснокислое и лимоннокислое «брожения», хотя и приводящие к накоплению органических кислот, но совершающиеся обязательно в присутствии кислорода.



Брожение известно было в глубокой древности» им пользовались для приготовления вина и уксуса. Однако лишь во второй половине 19 века было установлено, что спиртовое брожение связано с жизнедеятельностью дрожжей (см.) и является процессом, обеспечивающим организм энергией в отсутствие кислорода. Понимание биохимической сущности этого явления стало возможным после выделения из дрожжевой клетки ферментных систем. В 1897 г. Бухнер (Е. Buchner) растирал дрожжи с кварцевым песком и трепелом и после фильтрования под давлением получил бесклеточный сок, способный вызывать спиртовое брожение. Бухнер полагал, что сок содержит фермент зимазу. Впоследствии А. Н. Лебедевым был предложен новый, более простой метод приготовления бесклеточного дрожжевого сока. «Сок Лебедева», или «мацерационный сок», получают подсушиванием дрожжей в термостате при t° 25—30°, последующей обработкой их водой в течение 2 часов при t° 35° и фильтрованием.

Зимаза представляет собой сложный комплекс ферментов, катализирующих последовательные превращения сбраживаемого субстрата. Спиртовое брожение выражается суммарным уравнением реакции:
C6H12O6→2CO2+2C2H5OH
Оно проходит через ряд этапов, включающих обязательное участие фосфорной кислоты, образование фосфорных эфиров углеводов и их превращения, в результате которых осуществляется процесс окисления, т. е. отнятия водорода от органического субстрата. Освобождающаяся при этом энергия частично утилизируется в виде богатых энергией связей аденозинтрифосфорной кислоты, которая может быть легко использована клеткой. В этом биологический смысл брожения как процесса, обеспечивающего «жизнь без воздуха».

С учетом энергетической эффективности спиртового брожения  суммарное уравнение реакции принимает вид:
C6H12O6+2H3PO4+2АДФ→2CO2+2C2H5OH+2АТФ
где АДФ — аденозиндифосфорная кислота и АТФ — аденозинтрифосфорная кислота.

Отличие между разными типами брожения заключается в субстрате сбраживания, а также в том, на какой из промежуточных продуктов происходит перенос водорода при окислении. Если при спиртовом брожении образование спирта является результатом переноса водорода на ацетальдегид, то при молочнокислом брожении восстановлению подвергается пировиноградная кислота, при маслянокислом брожении в результате нехватки акцепторов водорода часть его выделяется в молекулярной форме:
C6H12O6→C4H8O2+2CO2+2H2
Три упомянутых вида брожения являются основными. Все другие типы представляют собой их комбинацию. При уксуснокислом «брожении», происходящем по уравнению С2Н5OH+O2→С2Н4O2+H2O, ацетат, накапливающийся в значительных количествах, не является конечным продуктом; по исчерпании запасов спирта он далее окисляется уксуснокислыми бактериями до CO2 и H2O. При лимоннокислом «брожении» образование лимонной кислоты из сахара тесно связано с процессом дыхания. В настоящее время показано, что накопление лимонной кислоты плесневыми грибами — лишь одно из звеньев сложной цепи окислительных превращений ди- и трикарбоновых кислот, называемых лимоннокислым циклом (см. Окисление биологическое).



Образование лимонной кислоты происходит лишь до тех пор, пока запас субстрата не исчерпан. При полном использовании сахара накопившаяся лимонная кислота подвергается более глубокому окислению. Значительное накопление лимонной кислоты в культурах плесневых грибов дает возможность использовать их в технике для получения лимонной кислоты из сахара. Практическое применение находят и другие виды брожения.

Спиртовое брожение используется для промышленного получения спирта. В качестве сырья употребляют продукты, содержащие крахмал, — картофель, кукурузу, злаки, а также отходы сахарного производства и деревообрабатывающей промышленности. Для осахаривания крахмал предварительно обрабатывают амилазой солода. Брожение ведут на чистых культурах дрожжей, отличающихся устойчивостью к повышенному содержанию спирта. Различные расы дрожжей применяют для производства пива b виноградного вина. В хлебопечении используют прессованные дрожжи — смесь нескольких рас дрожжей. Образующиеся при брожении спирт и CO2 разрыхляют тесто и способствуют его подъему, а побочные продукты Б. придают хлебу своеобразный вкус и аромат. Важное техническое значение имеет также получение глицерина путем видоизмененного спиртового Б. Спиртовое брожение может быть использовано также при клинических анализах. При исследовании биологических жидкостей на содержание сахара (глюкозы и фруктозы) применяют так называемую бродильную пробу, заключающуюся в том, что при добавлении дрожжей сахар подвергается сбраживанию с выделением CO2 (обнаруживается по поглощению щелочью) и этилового спирта, о наличии которого узнают по образованию йодоформа при реакции с йодом в щелочной среде.

Молочнокислое Б. вызывается микроорганизмами, широко распространенными в природе. Они содержатся во многих фруктах и овощах, ржаной муке, солоде, силосе и др. Но основной средой для их развития является молоко, где под влиянием образуемой ими молочной кислоты наступает свертывание казеина. Для предохранения от скисания молоко подвергают пастеризации, при которой возбудители молочнокислого брожения погибают. Наиболее широко молочнокислое Б. применяют при производстве простокваши, кефира, ацидофилина и т. п. Молочнокислые бактерии, способные обитать в кишечнике, подавляют его гнилостную микрофлору.

Маслянокислое Б. возбуждается группой анаэробных бактерий, встречающихся в почве, воздухе, загрязненной воде, скоплениях разлагающихся растительных остатков. Маслянокислые бактерии образуют устойчивые споры, выдерживающие кипячение в течение нескольких минут. Они чувствительны к кислоте и поэтому их деятельность проявляется там, где молочнокислое брожение исключено (пастеризованное молоко) или сильно подавлено (сырое молоко при длительном хранении на холоду). Характерные признаки маслянокислого Б.— выделение газов, острый запах масляной кислоты, приобретение продуктом неприятного вкуса. В баночных консервах и сырах при этом наблюдается вспучивание. Это же Б. может развиваться в сырой муке, придавая ей горький вкус.