Спиртовое брожение

24.10.2014

В отсутствии кислорода единственным путем получения энергии для жизнедеятельности дрожжевых клеток является сбраживание углеводов с образованием в качестве конечных продуктов этилового спирта и углекислого газа.
Этот процесс осуществляется через целый ряд промежуточных реакций с участием многочисленных ферментов. Ниже приведена схема анаэробного расщепления, т. е. сбраживания углеводов, отмечающая также и роль соответствующих ферментов:

1) первой стадией этого процесса является образование фосфорных эфиров сахаров — фосфорилирование глюкозы с участием аденозиттрифосфорной кислоты;

фосфорилирование глюкозы катализируется ферментом глюкокиназой или гексокиназой;
2) образовавшийся глюкозо-6-фосфат подвергается изомеризации, превращаясь под действием фермента глюкозофосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат

3) образовавшийся фруктозо-6-фосфат подвергается дальнейшему фосфоршшрованию за счет адинизинтрифосфорной кислоты с участием фермента фосфофруктокиназы, в результате этой реакции образуется фруктозо-1,6-дифосфат этим заканчивается подготовительная стадия анаэробного (и аэробного) расщепления сахара;

4) на следующей стадии фруктозо-1,6-дифосфат распадается на две молекулы: фосфотриоз-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон при участии фермента альдолазы (зимогексаза). Следует отметить, что под действием того же фермента фосфодиоксиацетон может обратимо конденсироваться не только с фосфоглицериновым альдегидом, но и с другими альдегидами, образуя пентозы, гексозы и некоторые полисахариды. Кроме того, возможно и восстановление глицеринового альдегида в глицерин;

5) образовавшиеся фосфотриозы под действием фермента триозофосфатизомеразы изомеризуются причем равновесие устанавливается при содержании 95% фосфоглицеринового альдегида и 5% фосфодиоксиацетона;

6) образовавшийся 3-фосфоглицериновый альдегид окисляется в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту при участии фермента дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида;
7) 1,3-дифосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфаттрансферазы превращается в 3-фосфоглицериновую кислоту;

8) под действием фермента фосфоглицеромутазы 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую

9) образовавшаяся 2-фосфоглицериновая кислота при участии фермента энолазы (фосфопируватгидратазы) превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту

10) под действием фермента фосфотрансферазы (пируватфосфокиназы) фосфоэнолпировиноградная кислота превращается в энолпировиноградную, которая быстро превращается в более устойчивую кетоформу пировиноградной кислоты;
11) пировиноградная кислота под действием фермента пируватдекарбоксилазы превращается в углекислый газ и уксусный альдегид. Этот последний вступает во взаимодействие с коферментом дегидрогеназы НАДН (никотинамидадениннуклеотид), причем образуется этиловый спирт

Суммарное уравнение процесса спиртового брожения углеводов, следовательно, может быть представлена следующей формулой:

Фактический баланс спиртового брожения, однако, более, сложен и в значительной степени зависит от активной кислотности среды и некоторых других условий. В табл. 49 представлено накопление продуктов сбраживания глюкозы дрожжами при различной величине pH. Из приведенных данных видно, что в кислой среде образуется только 6 ммоль глицерина на 100 ммоль сброженной глюкозы, тогда как в среде, близкой к нейтральной, количество глицерина достигает уже 16 ммоль. В слабо щелочной среде накопление глицерина в бродящей жидкости еще выше. К резкому повышению выхода глицерина приводит также добавление бисульфита, который связывает ацетальдегид и тем самым выводит этот промежуточный продукт брожения из реакции.

В особых условиях — высушенные дрожжевые клетки — отмечается еще одна форма брожения, при которой глюкоза превращается в пировиноградную кислоту и глицерин

Представляет определенный интерес возможность смешанного полиспиртового брожения, в результате которого выделяется, кроме этилового спирта, еще и d-арабит, эритрит, маннит, а также глицерин. Баланс такого брожения, вызываемого некоторыми расами осмофильных дрожжей, представлен в следующем виде.

Энергетический эффект анаэробного использования углеводов дрожжевой клеткой невелик, поэтому для получения необходимого количества энергии дрожжи должны сбраживать значительное количество сахара. В оптимальных условиях (температура 30°С и определенный состав среды) 1 г прессованных дрожжей сбраживает 1 г сахара за 1 ч.
Большое влияние на ход сбраживания оказывает наличие ионов К, Mg, NH3, а также сульфаты и фосфаты. Особое значение имеют последние как источники образования фосфорных эфиров глюкозы. Явно выраженное стимулирующее влияние на брожение имеют витамины В, пиридоксин (В) и ниацин; при отсутствии этих веществ брожение идет на 25% менее интенсивно. Важным фактором, влияющим на сбраживающую активность дрожжей, является также наличие органических соединений азота, в частности аминокислот и их амидов. Добавление в сбраживаемую среду аспарагина, например, сильно повышает выделение дрожжами CO2. Кислотный оптимум сбраживания глюкозы дрожжевыми клетками лежит в очень широких границах pH 3,0—7,0, однако, как было показано выше, фактический баланс при этом изменяется. Кинетика сбраживания глюкозы следует теории Михаэлиса — Ментона в пределах концентрации сахара от 0,2 до 5%, а для фруктозы —от 0,4 до 6,0%. Константа Михаэлиса Kм=0,01067 для глюкозы и 0,0225 для фруктозы, что показывает преимущественное сбраживание глюкозы. Поскольку скорость инверсии сахарозы ферментами дрожжевой клетки превышает скорость сбраживания ее компонентов, то сбраживание сахарозы является частным случаем сбраживания глюкозы и фруктозы. Наличие сахарозы как единственного источника материала для сбраживания, следовательно, не лимитирует ход брожения.
Значительный практический интерес представляет вопрос о влиянии температуры на интенсивность процесса брожения, изученный еще недостаточно. Co времен классических исследований Слэтора известно, что величина температурного коэффициента брожения (Q10 t) меняется в широких пределах в зависимости от температуры:

При повышении температуры от 25 до 35° С, следовательно, интенсивность брожения повышается примерно в 2 раза. Однако остается совершенно неисследованным интервал температуры от 35 до 40° С, при которой происходит брожение разделанного теста в пруферах; этот вопрос представляет интерес для практиков. В связи с этим были попытки выведения рас дрожжей, устойчивых к высокой температуре (термотолерантных). Положительные результаты в этом направлении получили некоторые авторы. По сравнению с обычными мезофилами, термотолерантные дрожжи бродят при температуре 39—40° С несколько более интенсивно (табл. 50); существенное значение имеет и то обстоятельство, что в этих температурных условиях дрожжевые клетки обычных, т. е. мезофильных, дрожжей начинают отмирать, тогда как термотолерантные дрожжи полностью сохраняют свою жизнедеятельность. Большое практическое значение имеют штаммы термотолерантных дрожжей, выделенные из пшеничных хлебных заквасок Армении. Как показали опыты, биологической особенностью этих штаммов, кроме их устойчивости к температуре 40°С, является их способность хорошо развиваться в кислой среде. Наряду с выделением в условиях высокой температуры большего количества СО2 штаммы термостойких дрожжей обнаружили и большую подъемную силу по методу всплывания шарика (табл. 51). Наиболее активные штаммы термотолерантных дрожжей успешно применяются на хлебозаводах Армении.