Молочнокислое брожение

Спиртовое брожение

В 1836 г. французский ученый Каньяр де ла Тур установил, что спиртовое брожение связано с ростом и размножением дрожжей. Химическое уравнение спиртового брожения: C6H12O6® 2C2H5OH + 2CO2 было дано французскими химиками А. Лавуазье (1789 г.) и Ж. Гей-Люссаком (1815 г.). Л. Пастер пришёл к выводу (1857 г.), что спиртовое брожение могут вызывать только живые дрожжи в анаэробных условиях («брожение — это жизнь без воздуха»). В противовес этому немецкий ученый Ю. Либих упорно настаивал на том, что брожение происходит вне живой клетки. На возможность бесклеточного спиртового брожения впервые (1871 г.) указала русский врач-биохимик М. М. Манассеина. Немецкий химик Э. Бухнер в 1897, отжав под большим давлением дрожжи, растёртые с кварцевым песком, получил бесклеточный сок, сбраживающий сахар с образованием спирта и CO2. При нагревании до 50°C и выше сок утрачивал бродильные свойства. Все это указывало на ферментативную природу активного начала, содержащегося в дрожжевом соке. Русский химик Л. А. Иванов обнаружил (1905 г.), что добавленные к дрожжевому соку фосфаты в несколько раз повышают скорость брожения. Исследования отечественных биохимиков А. И. Лебедева, С. П. Костычева, Я. О. Парнаса и немецких биохимиков К. Нейберга, Г. Эмбдена, О. Мейергофа и др. подтвердили, что фосфорная кислота участвует в важнейших этапах спиртового брожения. Этот вид брожения имеет наибольшее народнохозяйственное значение.
Спиртовое брожение есть процесс разложения сахара на спирт и углекислый газ. Оно протекает под действием микро­организмов в виде следующей реакции:

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 27 ккал

сахар этиловый углекислый

спирт газ

Кроме этилового спирта и углекислого газа, при этом полу­чаются также побочные продукты: уксусный альдегид, глице­рин, сивушные масла (бутиловый, изобутиловый, амиловый и изоамиловыйг спирты), уксусная и янтарная кислоты и др.
Спиртовое брожение углеводов вызывается дрожжами, от­дельными представителями мукоровых грибов и некоторыми бактериями. Однако грибы и бактерии вырабатывают спирта значительно меньше, чем дрожжи.
Спиртовое брожение используется человеком с глубокой древности при изготовлении вина, пива, браги и др. Причина же брожения стала известна лишь в середине XIX в., после того, как Пастер установил, что разложение сахара на спирт и угле­кислый газ связано с дыханием дрожжей в анаэробных усло­виях.
Сбраживание сахара представляет собой сложный биохими­ческий процесс, поэтому приведенное выше уравнение выражает его лишь в общем суммарном виде.
Дрожжи в зависимости от условий брожения образуют раз­ные количества продуктов брожения, среди них могут преобла­дать либо этиловый спирт и углекислота, либо глицерин и уксусная кислота. Причем сбраживают они не все сахара, а только моносахариды (например, глюкозу) и дисахариды (на­пример, мальтозу). Полисахариды (крахмал) дрожжи сбражи­вать не способны, так как они не имеют нужного для расщеп­ления полисахаридов фермента (амилазы).
Брожение зависит не только от условий, в которых оно про­текает, но также от вида и расы применяющихся дрожжей. К числу этих условий относятся концентрация сахара, кислот­ность среды, температура и количество накопившегося спирта.
Наиболее благоприятная концентрация сахара в сбраживае­мом субстрате для большинства дрожжей составляет около 15%, при более высоких концентрациях брожение замедляется, а затем прекращается вовсе. Однако некоторые дрожжи могут вызывать брожение и при содержании в среде сахара свыше 60%. При концентрации сахара в субстрате в количестве менее 10% брожение протекает очень вяло.
Нормальной для спиртового брожения является кислая сре­да с рН, равным 4 или 4,5. В щелочной среде брожение протекает с образованием гли­церина и уксусной кислоты.
Наилучшая температура брожения находится в пределах 28-32°С. При более высоких температурах брожение замедляет­ся, а при 50°С оно прекращается. Понижение температуры снижает энергию брожения, хотя полностью оно не останавли­вается даже при 0°С.

На практике процессы брожения ведут при температуре в пределах 20-28°С при верховом брожении и в пределах 5-10°С при низовом брожении.
Верховое брожение протекает очень энергично, с образова­нием на поверхности субстрата большого количества пены и с бурным выделением углекислого газа, потоками которого дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. Дрожжи, вызы­вающие такое брожение, называются верховыми дрожжа­ми. После окончания брожения они оседают на дно бродильных сосудов.

Низовое брожение, вызываемое низовыми дрожжами, идет значительно спокойнее, с образованием небольшого коли­чества пены. Углекислый газ выделяется постепенно и дрожжи остаются в нижнем слое сбраживаемого субстрата.
Верховые дрожжи применяют для получения спирта и пекар­ских дрожжей, низовые - для производства вина и пива. Для получения вина и пива иногда используют и верховые дрожжи.

Образующийся в процессе брожения спирт оказывает вред­ное воздействие на дрожжи. При накоплении в субстрате спирта более 16% к объему самого субстрата брожение прекращается, а угнетающее действие образовавшегося спирта начинает про­являться уже при концентрации 2-5%. Некоторые же расы специально приученных дрожжей способны выдерживать весь­ма высокие концентрации спирта -до20-25%.
Спиртовое брожение нормально протекает в анаэробных условиях, создающихся в процессе самого брожения. Но по­скольку дрожжи являются факультативными анаэробами, они могут разлагать сахар и в аэробных условиях с образованием углекислого газа и воды. Замечено, что в условиях хорошей аэрации дрожжи усиленно размножаются. Поэтому при произ­водстве пекарских дрожжей бродящий субстрат продувают воздухом.

Для промышленного получения спирта в качестве сырья ис­пользуют крахмалосодержащие продукты - картофель, зерно­вые культуры, а также отходы сахарного производства. В связи с тем, что дрожжи не способны сбраживать крахмал, его пред­варительно осахаривают с помощью солода, содержащего фер­мент амилазу. Солод получают из проросших зерен ячменя. 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 мальтоза - со­лодовый сахар.
Подготовленный к брожению жидкий сахаристый субстрат, называемый затором, подкисляют, а затем в него вводят дрож­жи. Вырабатываемый дрожжами фермент мальтаза переводит солодовый сахар в моносахарид - глюкозу, а последняя с по­мощью фермента зимазы, также выделяемого дрожжами, расщепляется на спирт и углекислый газ. В дальнейшем многие исследователи детально изучили ферментативную природу и механизм спиртового брожения. Первая реакция превращения глюкозы при спиртовом брожении - присоединение к глюкозе под влиянием фермента глюкокиназы остатка фосфорной кислоты от аденозинтрифосфорной кислоты. При этом образуются аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и глюкозо-6-фосфорная кислота. Последняя под действием фермента глюкозофосфати-зомеразы превращается в фруктозо-6-фосфорную кислоту, которая, получая от новой молекулы АТФ (при участии фермента фосфофруктокиназы) еще один остаток фосфорной кислоты, превращается в фруктозо-1,6-дифосфорную кислоту. Под влиянием фермента кетозо-1-фосфатальдолазы фруктозо-1,6-дифосфорная кислота расщепляется на глицеринальдегидфосфорную и диоксиацетонфосфорную кислоты, которые могут превращаться друг в друга под действием фермента триозофосфатизомеразы. Глицеринальдегидфосфорная кислота, присоединяя молекулу неорганической фосфорной кислоты и окисляясь под действием фермента дегидрогеназыфосфоглицеринальдегида, активной группой которого у дрожжей является никотинамидадениндинуклеотид (НАД), превращается в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту.

Молекула диоксиацетонфосфорной кислоты под действием триозофосфатизомеразы даёт вторую молекулу глицеринальдегидфосфорной кислоты, также подвергающуюся окислению до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты; последняя, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткиназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в 3-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеро-мутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, а она под влиянием фермента фосфопируват-гидратазы - в фосфоенол-пировиноградную кислоту. Последняя при участии фермента пируваткиназы передает остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула фенолпировиноградной кислоты, которая весьма нестойка и переходит в пировиноградную кислоту. Эта кислота при участии имеющегося в дрожжах фермента пируватдекарбоксилазы расщепляется на уксусный альдегид и двуокись углерода. Уксусный альдегид, реагируя с образовавшейся при окислении глицеринальдегидфосфорной кислоты восстановленной формой икотинамидадениндинуклеотида (НАД-Н), при участии фермента алкогольдегидрогеназы превращается в этиловый спирт. Суммарно уравнение спиртового брожения может быть представлено в следующем виде:

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ ® 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2АТФ

Таким образом, при сбраживании 1 моля глюкозы образуются 2 моля этилового спирта, 2 моля CO2, а также в результате фосфорилирования 2 молей АДФ образуются 2 моля АТФ. Термодинамические расчёты показывают, что при спиртовом брожение превращение 1 моля глюкозы может сопровождаться уменьшением свободной энергии примерно на 210 кДж (50 000 кал), т. е. энергия, аккумулированная в 1 моле этилового спирта, на 210 кДж (50 000 кал) меньше энергии 1 моля глюкозы. При образовании 1 моля АТФ (макроэргических - богатых энергией фосфатных соединений) используется 42 кДж (10 000 кал). Следовательно, значительная часть энергии, освобождающейся при спиртовом брожении, запасается в виде АТФ, обеспечивающей разнообразные энергетические потребности дрожжевых клеток. Такое же биологическое значение имеет процесс брожения и у других микроорганизмов. При полном сгорании 1 моля глюкозы (с образованием CO2 и H2O) изменение свободной энергии достигает 2,87 МДж (686 000 кал). Иначе говоря, дрожжевая клетка использует лишь 7% энергии глюкозы. Это показывает малую эффективность анаэробных процессов по сравнению с процессами, идущими в присутствии кислорода. При наличии кислорода спиртовое брожение угнетается или прекращается и дрожжи получают энергию для жизнедеятельности в процессе дыхания. Наблюдается тесная связь между брожением и дыханием микроорганизмов, растений и животных. Ферменты, участвующие в спиртовом брожении, имеются также в тканях животных и растений. Во многих случаях первые этапы расщепления сахаров, вплоть до образования пировиноградной кислоты, - общие для брожения и дыхания. Большое значение процесс анаэробного распада глюкозы имеет и при сокращении мышц, первые этапы этого процесса также сходны с начальными реакциями спиртового брожения. Сбраживание углеводов (глюкозы, ферментативных гидролизатов крахмала, кислотных гидролизатов древесины) используется во многих отраслях промышленности: для получения этилового спирта, глицерина и других технических и пищевых продуктов.

На спиртовом брожении основаны приготовление теста в хлебопекарной промышленности, виноделие и пивоварение. В спиртовом производстве применяют такие расы дрожжей, которые способны быстро и полно сбраживать сахар и устой­чивы к спирту. Для производства пива чаще всего используют ячмень, из которого получают солод, а из солода приготавливают сусло-сахаристую жидкость, подвергаемую брожению.

Вкусовые особенности пива зависят от качества сырья, тех­нологии и применяемых дрожжей. Низовые дрожжи, используемые в пивоварении, ведут мед­ленное брожение, не вызывают значительного помутнения сусла, а по окончании брожения образуют на дне плотный оса­док. Среди низовых дрожжей имеются сильнобродящие и слабобродящие дрожжи.

В виноделии до последнего времени дрожжи не играли той преимущественной роли, которая падает на их долю в произ­водстве пива. Основная масса вина получалась путем само­сбраживания сусла с помощью случайных дрожжей, находя­щихся на ягодах винограда. Применение чистых культур в виноделии дает возможность быстрее и полнее осуществить сбраживание виноградного сусла и получить вино с хорошим букетом. Отдельные расы винных дрожжей при сбраживании вино­градного сусла способны накапливать до 10-14% спирта. Каждый винодельческий район имеет расы дрожжей, специфи­ческие для данной местности, поэтому сорт получаемого вина определяется не только сортом винограда и технологией, но и биологическими особенностями используемых дрожжей.
Чистые культуры дрожжей обязательно применяются при изготовлении шипучих вин.
При производстве плодово-ягодных вин для каждого вида плодов или ягод подбирают соответствующие расы винных дрожжей, что позволяет получать сорта вин высокого качества.

Для получения хлебного теста используют пекарские дрож­жи, обладающие хорошей подъемной силой и способностью быстро размножаться. Образующиеся в процессе брожения спирт и углекислый газ разрыхляют и поднимают тесто, а по­бочные продукты брожения придают хлебу особый вкус и аромат.
В производстве хлеба применяют прессованные и жидкие дрожжи, а также закваски. Прессованные дрожжи являются скоропортящимся продуктом и потому должны храниться при низких температурах. Примесь в прессованных дрожжах диких дрожжей и бактерий свидетельствует о их низком ка­честве.
Жидкие дрожжи изготавливаются непосредственно на хлебо­заводах. В отличие от прессованных дрожжей они содержат и молочнокислые бактерии. Вырабатывая молочную кислоту, молочнокислые бактерии препятствуют развитию в тесте карто­фельной палочки, вызывающей тягучую болезнь хлеба.

Закваски представляют собой тесто, оставляемое от предыдущей выпечки. Их используют для разрыхления ржа­ного теста. Закваски содержат дрожжи и молочнокислые бак­терии.

В среду культурных дрожжей, которые применяются в про­изводстве, могут попадать посторонние микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов. Так, дикие дрожжи нередко яв­ляются вредителями производства вина и пива. Они изменяют вкус и запах этих продуктов, вызывают их помутнение. Осо­бенно опасны пленчатые дрожжи микодерма. Развиваясь в вине и пиве, они окисляют спирт до углекислоты и воды и придают напиткам неприятный вкус.

Микодерма причиняет вред также при производстве пекар­ских дрожжей. Процесс получения пекарских дрожжей ведут с продуванием субстрата воздухом, так как это способ­ствует их быстрому размножению. Микодерма в таких усло­виях развивается быстрее, чем настоящие дрожжи. Поскольку микодерма не обладает способностью поднимать тесто, то при­сутствие ее в культурных дрожжах резко снижает их пекарские свойства.

Вредителями бродильных производств являются также не­которые виды молочнокислых бактерий, вызывающие помутне­ние вина и пива. Отдельные представители шаровидных бакте­рий (педиококки) способны придавать пиву особый привкус и мутность, а иногда ослизнять его. Уксуснокислые бактерии мо­гут вызвать порчу вина в результате окисления спирта в уксус­ную кислоту.

 

Молочнокислое брожение

Молочнокислые бактерии подразделяют на 2 группы – гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии (например, Lactobacillusdelbrьckii) расщепляют моносахариды с образованием двух молекул молочной кислоты в соответствии с суммарным уравнением:

C6H12O6 = 2CH3CHOH-COOH

Гетероферментативные бактерии (например, Bacteriumlactisaerogenes) ведут сбраживание с образованием молочной кислоты, уксусной кислоты, этилового спирта и CO2, а также образуют небольшое количество ароматических веществ - диацетила, эфиров и т. д.

При молочнокислом брожении превращение углеводов, особенно на первых этапах, близко к реакциям спиртового брожения, за исключением декарбоксилирования пировиноградной кислоты, которая восстанавливается до молочной кислоты за счёт водорода, получаемого от НАД-Н. Гомоферментативное молочнокислое брожение используется для получения молочной кислоты, при изготовлении различных кислых молочных продуктов, хлеба и в силосовании кормов в сельском хозяйстве. Гетероферментативное молочнокислое брожение происходит при консервировании различных плодов и овощей путём квашения.
Молочнокислое брожение представляет собой разложение сахара под действием молочнокислых бактерий с образованием молочной кислоты. В общем суммарном виде его можно пред­ставить следующим уравнением:

С6Н12О6 = 2С3Н6О3 + 18 ккал.

Это брожение часто наблюдается в молоке и вызывает его скисание. Отсюда и получили свое название вид брожения, бактерии, вызывающие его, а также основной продукт броже­ния - кислота. Молочнокислые бактерии бывают шаровидной и палочко­видной формы. Они неподвижны, спор не образуют и являются факультативными анаэробами.

Различные виды молочнокислых бактерий в равных условиях продуцируют разное количество кислоты, что объясняется их неодинаковой кислотоустойчивостью. Палочковидные бактерии образуют больше кислоты, чем шаровидные (кокки).

Молочнокислые бактерии способны сбраживать только моно- и дисахариды и совсем не сбраживают крахмал и другие поли­сахариды, так как не выделяют соответствующих ферментов.

Некоторые из этих бактерий вырабатывают антибиотические вещества, действующие против возбудителей кишечных заболе­ваний.
Молочнокислые бактерии широко распространены в природе, они постоянно встречаются в почве, на различных растениях, на плодах и овощах, в молоке и т. д.
Наибольшее значение имеют следующие молочнокислые бак­терии: молочнокислый стрептококк, болгарская, ацидофильная, сырная, дельбрюковская, огуречная, капустная палочки и др.

Молочнокислый стрептококк - соединенные попарно или в короткие цепочки шаровидные бактерии. Лучше всего разви­ваются при температуре 30-35°С, их температурный минимум около 10°С. При брожении накапливают до 1% кислоты. Широко применяются для приготовления молочнокислых продуктов (простокваши, кефира, сметаны, творога и др.).

Болгарская палочка нередко образует длинные цепочки, вы­делена из болгарской простокваши. Представляет собой непо­движную, бесспоровую палочку. Наилучшая для ее развития температура 40-45°С, температурный минимум 20°С. В молоке образует до 3,5% молочной кислоты.

Ацидофильная палочка получена из выделений кишечника грудного ребенка. Имеет температурный оптимум около 40°С, ми­нимальная температура развития 20°С. В молоке накапливает до 2,2% молочной кислоты. Применяется для приготовления молочнокислых продуктов - ацидофилина и ацидофильного мо­лока.

Сырная палочка имеет температурный оптимум около 40°С, используется в сыроделии.
Дельбрюковская палочка представляет собой одиночные или собранные в короткие цепочки клетки, не образующие спор. Температурный оптимум 45°С. Образует в среде до 2,5% кисло­ты. Применяется для промышленного получения молочной кислоты, а также в производстве хлебных заквасок.
Огуречная и капустная палочки развиваются при квашении овощей. Молочнокислое брожение имеет важное промышленное зна­чение. Оно применяется в производстве молочнокислых продук­тов, в хлебопечении, в процессах квашения овощей и силосова­ния кормов, при изготовлении кваса, в производстве молочной кислоты и т. д.

Молочнокислые бактерии относятся к числу постоянных оби­тателей молока и вызывают в нем ряд биохимических процес­сов. Кроме этих бактерий, в молоке могут находиться различные гнилостные бактерии. Количество микроорганизмов и их состав в молоке могут колебаться в значительных пределах. Свеже­выдоенное молоко содержит микроорганизмы, попадающие в него из протоков молочных желез вымени, в которых они оби­тают постоянно.

Нередко гнилостных бактерий в только что выдоенном мо­локе оказывается в несколько раз больше, чем молочнокислых бактерий. Однако развивающиеся молочнокислые бактерии образуют молочную кислоту, которая подавляет жизнедеятель­ность гнилостных бактерий.
Через некоторое время в молоке остаются главным образом молочнокислые бактерии, продолжающие усиленно размно­жаться и накапливать молочную кислоту, под действием кото­рой молоко вскоре свертывается. Полученная таким путем про­стокваша (самоквас) обычно имеет неприятный привкус и запах, так как в ней содержатся продукты жизнедеятельности других микроорганизмов. Употребление в пищу молока-само­кваса опасно для здоровья, так как в нем могут находиться патогенные микроорганизмы, сохранившие жизнеспособность, несмотря на образование молочной кислоты.

При получении молочнокислых продуктов (простокваши, кефира, ацидофилина и др.) в производственных условиях мо­локо предварительно подвергают пастеризации, а затем заква­шивают специальными заквасками, содержащими культуры молочнокислых бактерий. Это дает возможность получать мо­лочнокислые продукты определенного и высокого качества.

Молочнокислое брожение в хлебопечении позволяет предот­вратить развитие вредных бактерий в тесте, вызывающих кар­тофельную болезнь (тягучесть) хлеба, а также способствует улучшению вкусовых свойств хлеба.

Молочная кислота, образующаяся в результате этого бро­жения, придает особый вкус квашеным овощам и препятствует развитию гнилостных бактерий.
При промышленном получении молочной кислоты в качестве сырья используют крахмал, патоку и другие сахаристые мате­риалы. Молочную кислоту применяют в кондитерском производстве и в производстве безалкогольных напитков.