Брожение

Обмен веществ (метаболизм) микроорганизмов

Брожение: характеристика процесса брожения; брожение в анаэробных условиях: спиртовое брожение; молочнокислое брожение; маслянокислое брожение; ацетонобутиловое брожение; брожение пектина; брожение целлюлозы; аэробное брожение: уксуснокислое брожение; лимоннокислое брожение. Разрушение древесины. Разложение жира. Механизм превращения микроорганизмами азотсодержащих веществ. Микроорганизмы – возбудители гниения.

К брожению относятся процессы получения энергии, при которых отщепляемый от субстрата водород переносится на органически рецепторы. Кислород в процессах брожения не участвует.

Спиртовое брожение – процесс превращения в анаэробных условиях сахара в углекислый газ и этиловый спирт.

Этиловый спирт – широко распространенный продукт сбраживания сахаров микроорганизмами. Возбудители спиртового брожения – дрожжи. Их выращиваю в анаэробных условиях. Спиртовое брожение происходит с тем же запасом энергии в форме АТФ и тем же путем, что и гликолиз, до момента образования пировиноградной кислоты. Ее дальнейшее превращение в этиловый спирт происходит в два этапа: пируват декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой при участии тиаминпирофосфата до ацетальдегида, а затем ацетальдегид восстанавливается алкагольдегидрогеназой в этанол. При этом выделяется 166 кДж/моль энергии, за счет которой развиваются биохимичские процессы в клетке. С точки зрения энергетики – брожение –это процесс малоэффективный. При окислении 1 грамм молекулы глюкозы синтезируется 2 молекулы АТФ.

Кроме этилового спирта и углекислого газа в процессе брожения образуются побочные продукты – глицерин, уксусная кислота, янтарная кислота, сивушные масла, в состав которых входит пропанол, бутанол-2, метилпропанол-2. амиловый, изоамиловый спирты.

Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. Дрожжи, помимо глюкозы, способны сбраживать пировиноградную кислоту. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пировиноградной кислоты образуется ацетальдегид. Если к дрожжам в процессе брожения добавить бисульфит, появится новый продукт – глицерин. Это стали использовать в промышленности для его получения.

На условия спиртового брожения оказывают влияние многие факторы: химический состав сбраживаемой среды, ее концентрация и кислотность, содержание спирта, температура, наличие посторонних микроорганизмов. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов – сахарозу и мальтозу. Пентозы сбраживаются только некоторыми дрожжами. Дрожжи не могут сбраживать крахмал, т.к. не образуют амилолитических ферментов.

Для большинства дрожжей наиболее благоприятной является концентрация сахара – 10-15%. При ее повышении энергия брожения снижается, а при 30-35% брожение прекращается вовсе. Энергия брожения – способность определенного количества рожей сбраживать за определенный промежуток времени то или иное количество сахара. В природе встречаются дрожжи, способные вызывать брожение сахара даже при концентрации 50-60%.

Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли, но дрожжи также могут использовать аминокислоты и пептиды.

Обычно брожение протекает в кислой среде, при рН 4-5. В щелочной среде в результате брожения образуется глицерин.

Наибольшая скорость процесса достигается при температуре около 30˚С. При 45-50˚С процесс прекращается. В результате гибели клеток дрожжей. Снижение температуры приводит к замедлению брожения, но полностью процесс не прекращается даже при 0˚С.

Этанол, который образуется в процессе брожения, неблагоприяно влияет на дрожжи. Его концентрация 2-5% действует на них угнетающе. В большинстве случаев брожение прекращается при накоплении дрожжами 12-14% спирта.

Процесс спиртового брожения лежит в основе производств этилового спирта, пива, вина, пекарских дрожжей.

Для получения этилового спирта используют сырье, содержащее сахар (сахарная свекла, кормовая патока, сахарный тростник, фруктовые соки); содержащее крахмал (картофель, земляная груша, кукуруза, ячмень, рожь, пшеница); содержащее целлюлозу (древесина). Разновидность сырья зависит от хозяйственных возможностей.

Крахмалсодержащее сырье разваривают и подвергают осахариванию. Источником амилолитических ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зерен ячменя или ферментный препарат из грибов рода аспергилл.

В солоде кроме амилаз, содержатся протеолитические ферменты, которые вызывают частичное превращение белковых веществ в растворимые азотсодержащие вещества. В результате получается сусло, богатое сахаристыми и другими питательными для дрожжей веществами. Для каждого производства вносят особые дополнительные источники питания.

В полученное сусло добавляют дрожжи вида Сахаромицес церевизия. Они быстро размножаются, сахароустойчивы, обладают высокой энергией брожения.

После окончания процесса брожения дрожжи отделяют, а спирт отгоняют в специальных перегонных аппаратах. Получается спирт-сырец и отход производства – барда, которую используют для получения кормовых дрожжей. Отработанные дрожжи также используют в виде кормовых дрожжей. Спирт-сырец используют для технических целей. В прцессе его дальнейшей очистки (ректификации) получают чистый медицинский спирт.

В процессе производства из воздуха и оборудования в спирт-сырец могут попадать микроорганизмы (молочнокислые бактерии, дрожжи). Они используют питательные вещества среды, угнетают дрожжи продуктами своего обмена, при этом снижается выход спирта.

Спирт применяют в медицине, производстве спиртсодержащтх напитков. В последнее время спирт рассматривают как перспективное топливо.

Основным сырьем для получения пива является ячменный солод, который получают из пророщенных зерен ячменя. Амилазы солода расщепляют содержащийся в нем крахмал на более простые углеводы (мальтозу, декстрин), а протеазы частично превращают белок в азотистые соединения, усваиваемые дрожжами.

К солоду добавляют несоложенные ячмень, рис, кукурузную муку, воду, хмель и получают пивное сусло. Оно является полноценной питательной средой для дрожжей. Вещества хмеля обладают антибактериальным действием и придают пиву специфические горечь и аромат.

Для получения основных сортов пива используют дрожжи низового брожения, и лишь для некоторых – дрожжи верхового брожения. Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, происходит медленно и спокойно, при температуре 5-10 ˚С. Газ выделяется постепенно, пены образуется немного, а дрожжи не выносятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро оседают на дно бродильных емкостей. Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28˚С. На поверхности бродящей жидкости образуется много пены. Под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных емкостей рыхлым слоем.

Процесс получения пива происходит в два этапа брожения – главного и дображивания.

В процессе главного брожения при температуре 6-10˚С дрожжи активо размножаются и интенсивно сбраживают сахар. Получают незрелое (зеленое) пиво. Его сливают с дрожжевого осадка и направляют на дображивание при температуре 1˚С. Дрожжи, оставшиеся в зеленом пиве, почти не размножаются и медленно сбраживают оставшийся сахар. При этом накапливается углекислый газ, этиловый спирт (3-6% массы), побочные продукты брожения (высшие спирты, органические кислоты, диацетил, эфиры). Все они принимают участие в формировании вкуса и аромата пива.

Cозревшее пиво осветляют, дрожжи удаляют путем фильтрования или центрифугирования и направляют на розлив. Химический состав и вкусовые свойства разных сортов пива зависят от используемого сырья. Расы дрожжей и технологии производства.

Часть дрожжей, осевших на дно бродильных емкостей, вновь используют для получения пива, часть выпускают в виде жидких или сухих пивных дрожжей в качестве продукта, богатого витаминами группы В, а часть идет на корм животным.

Пиво – скоропортящийся продукт. Для увеличения срока его хранения его пастеризуют, иногда добавляют консерванты, или обрабатывают СВЧ.

Исходным сырьем для получения вина является виноградный и плодово-ягодные соки. Они являются хорошей питательной средой для развития микроорганизмов. Для избавления от вредной для вина микрофлоры его обрабатывают сернистым ангидридом, а затем подвергают брожению. Сернистый ангидрид является антисептиком и антиокислителем. Он связывает кислород, снижая окислительно-восстановительный потенциал среды. Это препятствует развитию аэробной микрофлоры и благоприятствует брожению. Брожение соков для изготовления вин осуществляется дрожжами низового брожения. Для получения определенных вин используют определенные расы дрожжей. Они обладают различным температурным оптимумом брожения, образуют разное количество спирта, различные побочные продукты, которые придают вину определенный вкус и аромат.

Пекарские дрожжи, применяемые в хлебопечении, пивоварении и виноделии получают на специализированных дрожжевых заводах. В качестве питательной среды при этом используют очищенную и разбавленную водой свекловичную мелассу – отход свеклосахарного производства. К ней дополнительно добавляют азот и фосфорсодержащие соли. Дрожжи размножатся при температуре около 30˚С, рН 4,5-5,5, при непрерывной аэрации. Дрожжи при этом активно дышат и размножаются, но не бродят. Выросшую массу дрожжей отделяют от среды, промывают водой, сгущают и прессуют до содержания влаги 73-75%. Полученную дрожжевую массу формируют в виде брикетов, которые упаковывают в бумагу и охлаждают до температуры 4˚С. Сухие дрожжи выпускают влажностью 8-10%.