Молочнокислое брожение

Биохимия

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.. 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.

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 диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение осуществляется в большинстве случаев облигатными анаэробами, т. е. организмами, способными существовать только в бескислородной среде.

В ходе маслянокислого Б. образуются не только масляная к-та, но в некоторых случаях и весьма значительные количества этилового спирта, молочной н уксусной кислот, а также газообразного водорода и углекислого газа. С помощью маслянокислого Б. осуществляется разложение органических веществ в условиях недостатка или полного отсутствия кислорода (болота, заболоченные места). Большое промышленное значение имеет маслянокислое Б. пектиновых веществ, происходящее при замочке стеблей льна, конопли и получении волокон. Вместе с тем деятельность бактерий, осуществляющих этот вид Б., необходимо предотвращать при приготовлении различного рода пищевых продуктов во избежание ухудшения вкуса и порчи последних (напр., прогоркание сливочного масла, силоса и т. п.).

Спиртовое, молочно- и маслянокислое Б.— основные типы Б.; остальные многочисленные виды Б. представляют собой либо различные их сочетания, либо осуществляются на базе тех или иных продуктов, возникающих в ходе основного вида Б. Так, в результате уксуснокислого брожения происходит окисление этилового спирта при участии кислорода воздуха. Этот вид Б. осуществляется специфическими уксуснокислыми бактериями. Суммарное уравнение уксуснокислого Б.:

CH₃CH₂OH + O₂ = CH₃COOH + H₂O.

По исчерпании запасов спирта бактерии окисляют образованную им уксусную к-ту до углекислого газа и воды.

К Б., осуществляющемуся с участием О₂, относится глюконовокислое брожение — образование глюконовой к-ты из глюкозы:

C₆H₁₂O₆ + H₂O + O₂ → CH₂OH(CHOH)₄COOH + H₂O₂.

Оно вызываемся нек-рыми бактериями и плесневыми грибами. Глюконовая к-та — ценное соединение, широко применяемое в медицине и фарм, промышленности (см. Глюконовая кислота).

Лимоннокислоe брожениe осуществляется нек-рыми представителями плесневых грибков; особенно эффективны отдельные штаммы Aspergillus niger. Исходным продуктом служит Пировиноградная к-та, превращение к-рой идет одновременно в двух направлениях. Часть ее окисляется в уксусную, тогда как другая, присоединяя углекислоту, образует щавелевоуксусную к-ту. При конденсации уксусной и щавелевоуксусной кислот образуется лимонная к-та. Помимо лимонной к-ты, при лимоннокислом Б. образуются бутиловый спирт, ацетон, а также этиловый спирт, углекислый газ и водород.

Бутанолово-ацетоновое брожение осуществляют анаэробные бактерии Clostridium acetobutylicum. Главные продукты, образующиеся в ходе этого вида Б.,— н-бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, углекислота, водород. Ацетоуксусная к-та (CH₃COCH₂COOH) и образующийся при ее декарбоксилировании ацетон (CH₃COCH₃), а также β-оксимасляная к-та составляют группу так наз. ацетоновых тел (см. Кетоновые тела), которые накапливаются в крови и моче животных при различных патологических состояниях и заболеваниях (диабет, голодание). В нормальных же условиях эти соединения окисляются с образованием безвредных для организма углекислоты и воды.

Высокая экономическая эффективность, чистота получаемых при Б. ценных продуктов лежат в основе все более широкого использования Б. в самых различных отраслях народного хозяйства.

Библиография: Кретович В.Л. Основы биохимии растений, М., 1971; Малер Г. иКордес Ю. Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970; Рубин Б. А. Курс физиологии растений, М., 1971;Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы, пер. с англ., М., 1967. библиогр.; Шапошников В. Н. Техническая микробиология, М., 1948; H a s s i d W. Z. Transformation of sugars in plants, Ann. Rev. plant Physiol., v. 18, p. 253, 1967, bibliogr.

Смешанное брожение

В результате этого вида анаэробного дыхания микроорганизмов из глюкозы производится целая сложная смесь кислот:

• ацетат (уксусная кислота);
• лактат;
• сукцинат (янтарная кислота);
• формиат (муравьиная кислота).

Микроорганизмы, которые осуществляют дыхание через смешанное брожение, в процессе систематизации выделили в отдельный порядок – энтеробактерии (Enterobacteriaceae). В этот порядок входят практически все основные возбудители кишечных инфекций человека: сальмонеллы, кишечные палочки, шигеллы, клебсиеллы.

В отсутствие глюкозы эти микроорганизмы могут переходить на кислородный способ дыхания (факультативные анаэробы). Они очень нетребовательны к субстрату для роста и размножения, но некоторые виды погибают при повышении температуры среды.

Живут в кишечнике человека, при проведении санитарно-эпидемиологических исследований являются симптомом наличия фекального загрязнения.

Биохимия

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.. 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.

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 диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

История изучения

Лавуазье в конце XVIII века установил, что в ходе спиртового брожения сахар разлагается на спирт и углекислый газ. Вскоре после этого Гей-Люссак показал, что суммарная масса спирта и углекислого газа равна массе расщеплённого сахара.

В 30-е годы XIX века Ш. Каньяр де Латур и Теодор Шванн окончательно установили, что дрожжи (открытые Антони ван Левенгуком) — это живые клетки, и высказали идею о том, что брожение — результат их жизнедеятельности. Эта идея была отвергнута ведущими химиками того времени — Либихом, Берцелиусом и др.

Брожение было подробно изучено во второй половине XIX века Луи Пастером. Пастер убедительно доказал, вопреки господствовавшей тогда точке зрения, что брожение — процесс не чисто химический и происходит только в присутствии живых клеток микроорганизмов.

В 1893—1898 гг. Э. Бухнер показал, что брожение может происходить не только в клетках дрожжей, но и в бесклеточном дрожжевом экстракте (Нобелевская премия по химии 1907 г.). Благодаря его работам стало ясно, что многие биохимические реакции можно осуществить in vitro.

Биохимия процесса

Энзимные реакции

Первым этапом спиртового брожения является гликолиз, во время которой одна молекула D-глюкозы преобразуется в две молекулы пирувата. У хлебопекарных дрожжей (S. cerevisiae) во время этого образуются две молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) из двух молекул аденозиндифосфата (АДФ) и двух фосфатов посредством субстратного фосфорилирования. У Zymomonas mobilis образуется только одна молекула АТФ. Помимо этого две молекулы NAD+ (Никотинамидадениндинуклеотид) восстанавливаются до NADH.

Для гликолиза требуется регенерация NAD+ , что происходит посредством нижеследующих процессов. От каждой молекулы пирувата отщепляется посредством энзима пируватдегидрогеназны молекула диоксида углерода. Кофакторами в этой реакции выступает тиаминпирофосфат и два иона магния. В процессе образуется ядовитый для живых организмов ацетальдегид.

CH3−CO−COOH⟶CH3−CHO+CO2{\displaystyle CH_{3}-CO-COOH\longrightarrow CH_{3}-CHO+CO_{2}}

Процесс восстановления ацетальдегида катализируется алкогольдегидрогеназой содержащей ион цинка, который поляризует карбоксильную группу ацетальдегида. Поэтому два электрона и один протон могут быть переданы от NADH ацетальдегиду , таким образом образуются алкоголь и NAD+. Данные реакции протекают в цитоплазме клетки.

CH3−CHO+NADH+H+⇄CH3−CH2OH+NAD+{\displaystyle CH_{3}-CHO+NADH+H^{+}\rightleftarrows CH_{3}-CH_{2}OH+NAD^{+}}

Таким образом, продуктами спиртового брожения являются этанол и CO2{\displaystyle CO_{2}}, а не молочная кислота, как в молочнокислом брожении.

В результате получается реакция:

C6H12O6⟶2C2H5OH+2CO2{\displaystyle C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}}

Спиртовое брожение сопровождается запасанием энергии в виде АТФ. Суммарно реакцию можно записать так:

C6H12O6+H3PO4+2ADP⟶2C2H5OH+2CO2+2ATP{\displaystyle C_{6}H_{12}O_{6}+H_{3}PO_{4}+2ADP\longrightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}+2ATP}

Алкогольдегидрогеназа катализирует также и обратную реакцию, расщепления алкоголя, которая происходит у человека в печени. Ацетальдегид токсичен и является, помимо потери влаги, главной причиной для головной боли и тошноты после чрезмерного потребления алкоголя.

При спиртовом брожении у дрожжей могут возникать побочные продукты как метанол, бутанол, амиловый спирт и гексанол. Они возникаю не посредством вышеописанного процесса, а к примеру в процессе разложения аминокислот. В организме метанол перерабатывается алкогольдегидрогеназой в токсичный формальдегид. При потреблении низкокачественного алкоголя (с содержанием метанола) в теле человека образуется большое количество формальдегида, который в свою очередь повреждает разнообразные белки, как например высокочувствительные сенсоры в глазах, что может привести к мышечным спазмам, слепоте и смерти.

Другие субстраты

Помимо глюкозы и другие моносахариды могут быть задействованы в спиртовом брожении. Большинство видов дрожжей предпочитают именно глюкозу, поэтому в процессе производства вина из винограда, в котором в равной мере содержится как фруктоза так и глюкоза, преимущественно глюкоза превращается в алкоголь. Если не весь сахар перерабатывается, то в готовом вине будут чувствоваться сладкие нотки. Большую часть сахара в этом случае будет составлять фруктоза.

D-фруктоза может быть фосфорилирована гексокиназой и встроена в цикл гликолиза. Альтернативный путём является преобразование фруктозы посредством фруктокиназы в фруктозо-1-фосфат, который далее расщепляется фруктозо-1-фосфатальдолазой на глицеральдегид и дигидроксиацетон-3-фосфат. Последний является промежуточным продуктом гликолиза и образуется в ходе реакции, катализируемой фруктозо-1,6-бисфосфосфатальдолазой. Глицеральдегид может включаться в гликолиз после его фосфорилирования с участием АТФ.

При наличии нужных энзимов дисахариды могут также быть переработаны в алкоголь. В присутствии инвертазы сахароза расщепляется на глюкозу и фруктозу, которые встраиваются в цикл гликолиза вышеописанным образом. А при наличии бета-галактозидаза лактоза может быть расщеплён на глюкозу и галактозу. Схожие процессы верны и для полисахарид.

Подбор ингредиентов и пропорций

По рецепту приготовления нужно определиться с пропорциями ингредиентов. Идеального рецепта не существует, но самая популярная версия на один килограмм сырья такая:

• 3,5 литра воды при температуре 38 градусов Цельсия, главное, не выше этого показателя.
• Ферменты: свежих — по 3 грамма «Амилосубтилина» и «Глюкваморина», старых следует взять по 4-5 грамм каждого.
• Дрожжей сухих — 20 грамм или прессованных — 50 грамм. Можно брать винные дрожжи.
• «Доксициклин», антибиотик — одна капсула на 20 литров затора.
• Пеногаситель («Софэксил») — 10 миллилитров на 20 литров.

Пропорции не являются окончательными и могут быть дополнены винокурами исходя из личного опыта

А еще для расчетов важно знать, что ферменты имеют такой параметр, как активность. Он измеряется в единицах на грамм сухого вещества или на миллилитр жидкого раствора

Активность ферментов должна заявляться в инструкциях производителей. У каждого производителя свои штаммы и, соответственно, свои показатели. Например, показатели выглядят так:

• «Амилосубтилин Г3х» — 1000 единиц на 1 грамм порошка;
• «Глюкаваморин Г3х» — 1000 единиц на 1 грамм;
• «Целлюлокс-А» — 2000 единиц на 1 грамм;
• «Протосубтилин Г3х» — 70 единиц на 1 грамм.

При этом инструкция не является руководством к действию и не объясняет, сколько нужно класть продукта на килограмм пшеницы, риса или другого злака. В ней указываются рекомендации только по количеству сырья, готового к переработке, то есть крахмала, целлюлозы или простого белка. Поэтому перед использованием продукта нужно узнать, сколько содержится этих простых веществ в сырье.

Практика приготовления зерновых браг на ферментах

Существует две принципиально разные технологии осахаривания крахмала ферментами: горячее и холодное. У каждой из них есть свои достоинства и недостатки, а вот оборудование и инструментарий отличается незначительно:

• мельница для зерна/солода
• сусловарочный котел – только для горячего осахаривания
• точные ювелирные весы – для навески ферментов
• ферментер – объемом на 30% больше предполагаемого объема сусла (для пены)
• гидрозатвор с уплотнительной резинкой
• прочная мешалка для затора или дрель со строительным миксером
• откалиброванный pH-метр или индикаторная бумага
• самогонный аппарат
• ареометр типа АСП-3 для определения крепости дистиллята
• мерный цилиндр для ареометра

Для сбраживания рекомендуются обычные хлебопекарные дрожжи, из расчета 20 г сухих или 50 г прессованных на 1 кг сырья. При горячем осахаривании имеет смысл использовать спиртовые дрожжи для зерновых браг – они обеспечат быстрый старт ферментации (минимизируя риски заражения), экстремально быструю ферментацию и приятную органолептику.

Горячее осахаривание (ГОС)

Технология ГОС очень похожа на классическое осахаривание солодом – сырье нагревается, вносятся ферменты, выдерживаются определенные температурные паузы. Отсюда плюсы: осахаривание занимает минимум времени, брага готова к перегонке через 3-4 дня. Минусы тоже есть: много возни с температурными паузами, риск пригорания сырья, риск заражения на этапе осахаривания, существенные трудозатраты. Существует много схем ГОС. Нижеизложенная обеспечивает максимально эффективное использование ферментов и, как следствие, высокий выход продукта.

Ингредиенты на 1 кг сырья:

• 4-4,5 л воды
• 1-2 г фермента А
• 2-3 г фермента Г
• 2-4 г фермента П
• 1 г фермента Ц
• дрожжи – по инструкции

Технология приготовления браги:

1. Используя мельницу для солода, смолоть сырьё в муку или мелкую крупу.
2. Стерилизовать оборудование любым подходящим дезинфицирующим средством.
3. Ферментные препараты в порошковой форме предварительно растворить в 10-тикратном количество теплой воды.
4. В сусловарочном котле нагреть воду до +45оС, растворить в ней 50% подготовленного ранее фермента А, а также, если используются, ферменты П и Ц.
5. При постоянном перемешивании всыпать муку или крупу. Включить нагрев котла, не останавливая перемешивание до внесения фермента Г, и довести температуру затора до +60..+70оС. Если используется мука, нагрев можно продолжить, а если крупа – затор желательно выдержать при такой температуре 30-60 минут до разбухания и разжижения сырья и только после этого продолжить нагрев.
6. Нагреть затор до +95..+100оС (для дополнительной стерилизации). Снова-таки, если используется крупа, затор желательно выдержать при такой температуре 30-60 минут до полного разваривания сырья и, следовательно, высвобождения всего объема крахмала. Температурная пауза для муки не нужна.
7. Остудить затор до +65..+70оС и внести остальное количество фермента А.
8. Остудить затор до +60оС, внести весь объем фермента Г и выдержать температурную паузу 20-30 минут. Йодную пробу на данном этапе проводить не обязательно, так как ферменты продолжат свою работу в процессе брожения. Достаточно убедиться, что сусло сладкое и готово к ферментации.
9. Быстро остудить сусло до +25..+30оС (можно использовать чиллер), перелить его в ферментер и внести заранее подготовленные дрожжи.
10. На ферментер установить гидрозатвор и оставить бродить в темном теплом месте на срок до 72 часов – зерновые браги бродят очень активно, с обильным пенообразованием.

Важный компонент браги

Во время сбраживания поддерживается определенная температура – от 22 до 30 градусов C. При более низком температурном режиме у этой группы дрожжей процесс ферментации будет осуществляться медленнее. Это не даст правильную выработку спиртосодержащего конечного напитка. А при температуре выше заданной нормы погибнут дрожжевые грибки, и процесс брожения происходить не будет.

Основным неотъемлемым компонентом в приготовлении спиртосодержащих напитков являются дрожжи. Для заготовки такого напитка, как брага из сахара, используются специальные спиртовые дрожжи верхней группы брожения.

Виды молочнокислого брожения

Различают т. н. гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение, в зависимости от выделяющихся продуктов помимо молочной кислоты и их процентного соотношения. Отличие также заключается и в разных путях получения пирувата при деградации углеводов гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями.

Гомоферментативное молочнокислое брожение

При гомоферментативном молочнокислом брожении углевод сначала окисляется до пирувата по гликолитическому пути, затем пируват восстанавливается до молочной кислоты НАДН +Н (образовавшегося на стадии гликолиза при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата) при помощи лактатдегидрогеназы . От стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы зависит, какой энантиомер молочной кислоты будет превалировать в продуктах- L-, D- молочная кислота или же DL-рацемат . Продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения является молочная кислота , которая составляет не менее 90 % всех продуктов брожения. Промежуточными продуктами являются: глюкозо-6-фосфат , фруктозо-6-фосфат , фруктозо-1,6-дифосфат , 3-фосфоглицериновый альдегид, 1,3-дифосфоглицериновая кислота , пировиноградная кислота . Примеры гомоферментативных молочнокислых бактерий: Lactobacillus casei
, L. acidophilus
, Streptococcus lactis
.

Гетероферментативное молочнокислое брожение

В отличие от гомоферментативного брожения, деградация глюкозы идет по пентозофосфатному пути, образующийся из ксилулозо-5-фосфата глицеральдегид-3-фосфат окисляется до молочной кислоты, а ацетилфосфат восстанавливается до этанола (некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии окисляют полученный этанол частично или полностью до ацетата). Таким образом, при гетероферментативном молочнокислом брожении образуется больше продуктов: молочная кислота,

Природа позволяет человеку пользоваться теми благами, что в ней имеются. При этом люди стараются эти богатства приумножать, создавать что-то новое и познавать еще неизвестное. Бактерии — это мельчайшие создания природы, которых также научился использовать в своих целях человек.

Но не только вред, сопряженный с патогенными процессами и болезнями, несут в себе эти прокариотические организмы

Они еще являются источником важного промышленного процесса, который издревле применяется людьми — брожения. В данной статье мы рассмотрим, что собой представляет этот процесс и как осуществляется конкретно молочнокислое сбраживание веществ

Сырье для производства топлива

Дрожжевое брожение различных углеводных продуктов также используется для производства этанола, добавляемого в бензин .

Преобладающим сырьем этанола в более теплых регионах является сахарный тростник . В регионах с умеренным климатом используют кукурузу или сахарную свеклу .

В США в настоящее время основным сырьем для производства этанола является кукуруза. Приблизительно 2,8 галлона этанола получают из одного бушеля кукурузы (0,42 литра на килограмм). Хотя большая часть кукурузы превращается в этанол, часть кукурузы также дает побочные продукты, такие как DDGS (сушеные зерна с растворимыми веществами), которые можно использовать в качестве корма для скота. Бушель кукурузы дает около 18 фунтов DDGS (320 кг DDGS на метрическую тонну кукурузы). Хотя большинство заводов по ферментации построено в регионах, производящих кукурузу, сорго также является важным сырьем для производства этанола в штатах Равнин. Перловое просо является многообещающим сырьем для этанола на юго-востоке США, и потенциал ряски изучается.

В некоторых частях Европы, особенно во Франции и Италии, виноград стал фактическим сырьем для топливного этанола путем перегонки излишков вина . Также можно употреблять излишки сладких напитков. В Японии было предложено использовать рис, обычно превращаемый в саке, в качестве источника этанола.

Маниока как сырье для этанола

Этанол может быть получен из минерального масла, сахаров или крахмалов. Крахмалы самые дешевые. Крахмалистая культура с самым высоким содержанием энергии на акр — маниока , произрастающая в тропических странах.

В 1990-х годах в Таиланде уже была крупная промышленность по производству маниоки, которая использовалась в качестве корма для скота и как дешевая добавка к пшеничной муке. Нигерия и Гана уже создают заводы по производству этанола из маниоки. Производство этанола из маниоки в настоящее время экономически целесообразно, когда цены на сырую нефть выше 120 долларов США за баррель.

Разрабатываются новые сорта маниоки, поэтому будущее остается неопределенным. В настоящее время урожай маниоки составляет 25-40 тонн с гектара (при орошении и удобрении), а из тонны корней маниоки можно произвести около 200 литров этанола (при условии, что маниока с содержанием крахмала 22%). В литре этанола содержится около 21,46 МДж энергии. Общая энергоэффективность преобразования корня маниоки в этанол составляет около 32%.

Для обработки маниоки используются дрожжи Endomycopsis fibuligera , которые иногда используются вместе с бактерией Zymomonas mobilis .

Спиртовое брожение

Однако не только бактерии являются фабриками по разложению глюкозы на составляющие с образованием новых органических соединений. Человеку давно известен способ получения этанола с помощью одноклеточных грибов – дрожжей. Осуществляющие спиртовое брожение дрожжи выделены в отдельную внетаксономическую группу, причем границы этой группы еще не до конца определены.

По генетическому анализу спиртовые дрожжи имеют общие родственные связи с аксомицетами (несовершенными грибами). Одни из самых известных несовершенных грибов – трюфели.

Процесс спиртового брожения по способу мало чем отличается от других видов преобразования глюкозы. Спиртовые дрожжи в отсутствии кислорода переключаются на анаэробное дыхание (если кислород есть, спиртовые дрожжи дышат только им). Этот эффект спиртовых дрожжей исследовал и описал Луи Пастер. Теперь он так и называется: эффект Пастера.

Кроме того, если во время брожения в субстрат добавлять некоторые химические вещества, то меняется состав продуктов брожения. Так, например, можно получить глицерин.

Но не только дрожжи могут сбраживать глюкозу с образованием этанола, есть один род бактерий – Sarcina. Эти микроорганизмы осуществляют сбраживание по тому же пути, что и дрожжи. Кроме процессов, в которых спирт является основным продуктом, есть еще процесс, где этанол – побочный продукт брожения. Эти процессы протекают в организмах клостридий и энтеробактерий.

Гомоферментативное брожение

Гомоферментативное брожение молочнокислое подразумевает использование специальных форм возбудителей и отличается от гетероферментативного получаемыми продуктами и их количеством. Происходит оно по гликолитическому пути внутри клетки микроорганизма. Суть состоит, как и в целом у любого брожения, в превращении углеводов в молочную кислоту. Основное преимущество подобного процесса в том, что выход нужного продукта составляет 90%. И лишь оставшаяся часть уходит на побочные соединения.

Бактерии брожения такого типа следующих видов:

• Streptococcus lactis.
• Lactobacillus casei.
• Lactobacillus acidophilus и другие.

Какие еще вещества образуются в результате гомоферментативного брожения? Это такие соединения, как:

• этиловый спирт;
• летучие кислоты;
• углекислый газ;
• фумаровая и янтарная кислота.

Однако в промышленности этот способ получения кисломолочной продукции практически не используется. Он сохранился в природе как первоначальный этап гликолиза, он же происходит в клетках мышц млекопитающих при обширных физических нагрузках.

Технология производства нужных продуктов для питания людей подразумевает использование таких исходных углеводов, как:

А гомоферментативные бактерии не способны окислять многие из этих соединений, поэтому их использование в качестве заквасок при производстве не представляется возможным.

Периодический метод брожения

При периодическом проведении осахаривания бродильный чан заполняют осахаренной массой через определенные промежутки времени; дрожжи вводят в бродильный чан вместе с первой порцией осахаренной массы, последующие порции осахаренной массы сливают в бродильный чан без дрожжей. При непрерывном осахаривании бродильный чан заполняется непрерывно; дрожжи вводят в бродильный чан одновременно с осахаренной массой. Дрожжи спускают с такой скоростью, чтобы количество их по отношению к спускаемому суслу было не более 50%. При большем количестве дрожжей из-за их высокой кислотности (0,7-0,9°) возможна инактивация амилазы.

Независимо от способа заполнения бродильного чана количество дрожжей должно быть 6-8% от объема бродильного чана. Наполнение бродильного чана продолжается не более 8 ч.

Длительность брожения 72 ч, считая от начала залива до начала перегонки. При недостаточном числе бродильных чанов допускается длительность брожения 48 ч. Выход спирта в первом случае выше (на 0,8 дал из 1 т крахмала). Температурный режим при трехсуточном брожении 19-20°С, в период возбраживания 23-24°С, главного брожения 29-30°С, дображивания 27-28°С. Температура регулируется подачей холодной воды через змеевики. По окончании брожения зрелую бражку направляют на перегонку. Бродильный чан после освобождения моют, дезинфицируют, стерилизуют и снова включают в работу.

Брожение сахаров для получения сусла

Невозможно без процесса брожения получить начальное сусло для производства спирта и использовать его в производстве вина. Дрожжи — возбудители ферментации. Они перерабатывают глюкозу, которая содержится в плодах винограда. Для брожения используются дрожжи рода сахаромицет. Также могут применяться природные дрожжи, находящиеся на виноградной кожице.

Для получения качественного винного сусла процесс брожения должен протекать при определенном режиме температур. При температурной норме реакция брожения глюкозы будет осуществляться на правильном уровне. Оптимальная температура для производства красного вина — это 27—30 градусов C. Для выработки белого вина допускается не слишком высокая температура.

Изготовление сусла для красных вин осуществляется с помощью брожения и мацерации. Поскольку жидкость из красных сортов винограда бесцветна, сусло настаивают на его кожице. Она содержит окрашивающие вещества (антоцианы), которые необходимы для производства красных вин.

Спиртовое брожение и мацерация осуществляются одновременно. Но процесс ферментации длится не больше двух недель, а мацерация может продолжаться до месяца. В большей степени это зависит от сорта виноградных плодов. После окончания всех процессов винное сусло также проходит очистку и переливку. Сам метаморфизм спиртового брожения винного сусла будет окончен, когда переработается весь сахар.

Использование человеком

Основная польза от брожения — это превращение, например, сока в вино, зерна и других исходных продуктов в пиво, а углеводов в диоксид углерода при приготовлении хлебного теста. Широко используется человеком также молочнокислое брожение для приготовления кисломолочных продуктов, квашения овощей и приготовления силоса.

Поскольку фрукты сбраживаются в своем натуральном состоянии, брожение как процесс изменения пищевых продуктов появилось раньше человеческой истории. Однако люди с некоторых пор научились контролировать процесс брожения. Есть веские доказательства того, что люди сбраживали напитки в Вавилоне около 5000 г. до н. э., в Древнем Египте около 3000 г. до н. э., в доиспанской Мексике около 2000 г. до н. э. и в Судане около 1500 г. до н. э. Также существуют данные о дрожжевом хлебе в Древнем Египте около 1500 г. до н. э. и сбраживании молока в Вавилоне около 3000 г. до н. э. Китайцы, вероятно, первыми стали сбраживать овощи.

По Штейнкраузу (Steinkraus; 1995), брожение пищи выполняет пять главных задач:

1. Обогащение видов пищи разнообразием вкусов, ароматов и текстуры
2. Сохранение существенного количества пищи с помощью молочной кислоты, алкоголя, уксусной кислоты и щелочного брожения
3. Биологическое обогащение пищи протеинами, важными аминокислотами, важными жирными кислотами и витаминами
4. Детоксификация в процессе брожения пищи
5. Уменьшение времени и затрат на приготовление пищи

У брожения есть несколько преимуществ, важных для приготовления или сохранения пищи. В процессе брожения можно получать важные питательные вещества или устранять непитательные. С помощью брожения пищу можно дольше сохранять, поскольку брожение может создать условия, неподходящие для нежелательных микроорганизмов. Например, при квашении кислота, получаемая из доминирующей бактерии, препятствует росту всех других микроорганизмов.

1.1. Предмет и задачи микробиологии. Основные свойства микроорганизмов

Микробиология
(греч. «микрос» — малый, «биос» — жизнь,
«логос» — учение) – наука, изучающая мир
мельчайших живых существ – микроорганизмов.

Микробиология
изучает морфологию микроорганизмов,
закономерности их развития и процессы,
которые они вызывают в среде обитания,
а также их роль в природе и хозяйственной
деятельности человека.

К миру микроорганизмов
относятся бактерии, дрожжи, микроскопические
(плесневые) грибы, а также вирусы и фаги.
Микроорганизмы обитают во всех
климатических зонах, находятся на всех
предметах и продуктах, живут в организме
человека. Они разлагают остатки отмерших
животных и растительных тканей, выполняя
роль санитаров планеты, с их
жизнедеятельностью связаны образование
полезных ископаемых, плодородие почвы,
самоочищение водоемов и т.д.

Общими свойствами
микроорганизмов являются:

• Малые
  размеры (от
  долей микрометра до нескольких
  микрометров, а отдельные структуры
  клеток измеряются даже в нанометрах);

• Большое
  отношение поверхности обмена к объему.
  С этим связан
  очень быстрый обмен веществами между
  окружающей средой и клеткой. Скорость
  обменных процессов у микроорганизмов
  в десятки и сотни тысяч раз выше, чем у
  макроорганизмов;

• Широкое
  распространение в природе. Малые
  размеры микроорганизмов имеют значение
  для экологии. Микроорганизмы могут
  распространяться с воздушными потоками
  и существуют повсюду;

• Пластичность
  обмена – высокая
  способность к адаптации. Микроорганизмы
  под действием среды обитания способны
  вырабатывать индуцибельные ферменты
  и поэтому осуществлять разнообразные
  биохимические реакции;

• Изменчивость.
  Под действием факторов внешней среды
  микроорганизмы могут изменять свои
  свойства.

Задачи микробиологии
пищевых производств:

1. Знание
   свойств микроорганизмов позволяет
   своевременно принимать меры, направленные
   на предотвращение
   развития микроорганизмов
   при транспортировании и хранении
   продуктов. К наиболее распространенным
   методам консервирования относится
   охлаждение, замораживание, пастеризация,
   стерилизация, обработка антисептиками,
   высушивание.

2. Знание
   особенностей роста и развития
   микроорганизмов позволяет интенсифицировать
   технологические процессы,
   основанные на жизнедеятельности
   полезной микрофлоры.

3. Одной
   из важнейших задач микробиологии
   является создание
   технологических процессов, которые
   либо совсем не дают отходов (безотходной
   технологии),
   либо в основе которых лежат замкнутые
   циклы, когда все отходы полностью
   перерабатываются или используются на
   последующих стадиях производства.
   Таким образом, с помощью микробиологии
   можно успешно решать вопросы, связанные
   с охраной окружающей среды.