Спиртовое брожение

 

        Содержание: 

1. Введение

 

2. Брожение

 

3. Основные  типы брожения

 

4. История спиртового брожения

 

5. Спиртовое брожение

 

6. Этапы спиртового брожения

 

7. Микроорганизмы, осуществляющие спиртовое брожение

 

     Используемая литература. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение  

В 1850 г. Пастер установил, что виноградная  кислота состоит из двух изомерных  форм, имеющих одну и ту же химическую формулу, но кристаллизующихся в  виде кристаллов, формы которых относятся  друг к другу, как несимметричный предмет к своему зеркальному  отображению. Эти формы отличаются друг от друга определенным физическим признаком, именно, - противоположным вращением плоскости поляризации. Явление это было объяснено Вант-Гоффом в 1874 г. с точки зрения пространственного расположения атомов. 

Пастер  установил, что плесневый гриб Penicillium glaucum, развиваясь на растворах виноградной кислоты, в первую очередь потребляет одну из двух форм, именно правовращающую, встречающуюся в виде естественного продукта. От изомерии виноградной кислоты он перешел к изомерии амиловых спиртов, образующихся при спиртовом брожении. Это заставило его обратиться к изучению брожений и их природы. 

В 1855 г. Пастер обнаружил, что сырой амиловый спирт брожения состоит из двух химически  тождественных амиловых спиртов: оптически  неактивного и способного вращать плоскость поляризованного света. Уже в прежних своих кристаллографических исследованиях Пастер пришел к обобщению, что оптически активные вещества свойственны только органическому миру и их образование связано с процессом жизни. Отсюда Пастер сделал логическое заключение, что и оптически активный амиловый спирт возникает в процессе брожения при участии живого организма. Если это верно, то брожение есть процесс, связанный с жизнью, сам же фермент должен быть живым организмом. В результате длинного ряда блестящих исследований Пастером была создана теория брожения. 

Сам Пастер говорит: "Вовлеченный, даже, вернее сказать, вынужденный логическим развитием  моих исследований, я перешел от кристаллографии и молекулярной химии к изучению возбудителей брожения". 

Поскольку фрукты сбраживаются в своем натуральном  состоянии, брожение 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 сбраживания молока в Вавилоне около 3000 г. до н.э.  Китайцы, вероятно, первыми стали сбраживать овощи. 

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 происходит распад органических веществ (преимущественно Сахаров) под влиянием микроорганизмов, представляющий совокупность окислительно-восстановительных реакций. Брожения никогда не приводят к полному окислению органических веществ. Многие характерные формы брожения протекают без участия кислорода воздуха - анаэробно. 

Поскольку свободный кислород, имеющийся на нашей планете, образовался в  результате фотосинтеза, возникшего на более поздних этапах развития жизни на Земле, совершенно очевидно, что анаэробный способ извлечения энергии - брожение - более древний, чем процесс дыхания. 

Брожение  известно людям с незапамятных времен. Тысячелетиями человек пользовался  спиртовым брожением при изготовлении вина. Еще раньше было известно о молочнокислом брожении. Люди употребляли в пищу молочные продукты, готовили сыры. При этом они не подозревали, что эти процессы происходят с помощью микроорганизмов. Термин "брожение" был введен голландским алхимиком Ван Хельмонтом в XVII в. для процессов, идущих с выделением газов (fermentatio - кипение). Затем в XIX в. основоположник современной микробиологии Луи Пастер показал, что брожение является результатом жизнедеятельности микробов, и установил, что различные брожения вызываются разными микроорганизмами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Брожение 

Броже́ние (тж. сбра́живание, фермента́ция) —  «это такой 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  не высвобождает всю имеющуюся в  молекуле энергию, поэтому промежуточные  продукты брожения могут использоваться в ходе клеточного дыхания.

Термин  брожение также используется в более широком смысле, для обозначения бурного роста микроорганизмов в соответствующей среде. При использовании в этом смысле не делается различия между аэробным и анаэробным метаболизмом. 

Брожение  часто используется для приготовления или сохранения пищи. Говоря о брожении, обычно имеют в виду брожение сахара (превращение его в спирт) с использованием дрожжей, но, к примеру, при производстве йогурта используются другие виды брожения. 

Использование брожения человеком обычно предполагает применение определенных видов и штаммов микроорганизмов. Вина иногда улучшают с использованием процесса взаимного брожения. 

Продукты  брожения — это по сути отходы, получившиеся во время превращения пирувата с  целью регенерации NAD+ в отсутствие кислорода. Стандартные примеры продуктов брожения — этанол (питьевой спирт), молочная кислота, водород и углекислый газ. Однако продукты брожения могут быть более экзотическими, такими как масляная кислота, ацетон, пропионовая кислота, 2,3-бутандиол и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Основные  типы брожения 

Спиртовое брожение (осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий), в ходе него пируват расщепляется на этанол и двуокись углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы питьевого спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии и винокурении. Если в закваске высока концентрация пектина, может также производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при выпечке, а в производстве алкоголя двуокись углерода обычно уходит в атмосферу, хотя в последнее время её стараются утилизировать.

Молочнокислое брожение, в ходе которого пируват  восстанавливается до молочной кислоты, 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 и сдвигом к анаэробному гликолизу, поскольку кислород преобразуется в двуокись углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас кислорода; а болезненность в мышцах после физических упражнений вызвана микротравмами мышечных волокон. Организм переходит к этому менее эффективному, но более скоростному методу производства АТФ в условиях недостатка кислорода. Затем печень избавляется от излишнего лактата, преобразуя его обратно в важное промежуточное звено гликолиза — пируват. 

Считается, что анаэробный гликолиз был первым источником энергии для общих  предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода  в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма  генерации энергии в клетках — более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток.

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. 
 
 
 

История спиртового брожения 

Сбраживание сахаров известно с глубокой древности. В течение столетий пивовары и  виноделы использовали способность  некоторых дрожжей вызывать спиртовое брожение, в результате которого сахара превращаются в спирт. 

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).  
 
 
 
 
 
 
 

Спиртовое брожение 

Спиртовое брожение - это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия. 

Брожение  производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и  грибы. В различных странах для  получения спирта используют различные микроорганизмы.  

Например, в Европе используют в основном дрожжи из рода Saccharomyces,

в Южной  Америке - бактерии Pseudomonas lindneri,

в Азии - мукоровые грибы. 

Спиртовое брожение вызывают дрожжи, а также  некоторые плесневые грибы и  бактерии. Типичное брожение с высоким выходом спирта наблюдается в результате жизнедеятельности культурных дрожжей (сахаромицес).  

В промышленном производстве спирта используют различные  материалы: пшеницу, рожь, ячмень, кукурузу, картофель, свеклу, древесные опилки, солому и т. Клетчатку соломы и древесных опилок предварительно подвергают кисличному гидролизу, а крахмал зерновых злаков - осахариванию солодом. 

Химизм  спиртового брожении зависит от характера  субстрата, концентрации в нем сахара, реакции среды (pH), вида и расы дрожжей, окружающей температуры, Наибольший выход спирта отмечают в результате аппаратного брожения.  

В бродильной промышленности используются дрожжи верхового  и низшего брожения. Верховое брожение лучше развивается при температуре 18-30°; протекает бурно, с обильным выделением углекислого газа, пенообразованием и появлением пленки на поверхности субстрата.  

Дрожжи  верхового брожения применяют в  спиртовой промышленности и хлебопечении. Низовое брожение совершается спокойно; его используют в пивоварении; развивается оно при низкой температуре (4 - 10°) с постепенным просветлением субстрата. Дрожжи обычно оседают на дно сосуда 

Сбраживаться  могут лишь углеводы, и притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу). 

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.