Спиртовое брожение

Спиртовым брожением называется процесс превраще­ния микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ:Превращениебезазотистых органических веществ

С₆Н₁₂О₆ =2СН₃СН₂ОН +2СО₂

Возбудителями спиртового брожения являются дрож­жи. Спиртовое брожение могут вызвать некоторые мицели-альные грибы, однако при этом образуется значительно меньше спирта (5—7%). Брожение с образованием спирта и углекислого газа вызывают и некоторые бактерии, но по количественному соотношению между конечными и побоч­ными продуктами, а также характеру побочных продуктов бактериальное спиртовое брожение отличается от броже­ния, вызываемого дрожжами.

Связь спиртового брожения с жизнедеятельностью дрож­жей была отмечена еще в начале XIX в., но окончательно установлена Л. Пастером в 1857 г.

Большое значение в изучении спиртового брожения имело открытие "бесклеточного" брожения — соком из дрож­жей, не содержащим дрожжевых клеток. На основании это­го был сделан вывод, что в дрожжевом соке содержится какое-то активное вещество — фермент, которое еще Бух-нер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования показали, что зимаза является комплексом ферментов.

Химизм спиртового брожения. Приведенное выше уравнение спиртового брожения выражает его лишь в общем суммарном виде. Спиртовое брожение для дрожжей является процессом получения энергии в анаэробных усло­виях.

В гл. 2 указывалось, что любое брожение протекает как бы в две стадии: первая — окислительная — включает пре­вращение глюкозы до пировппоградпон кислоты с образова­нием двух молекул восстановленного НАД • Н₂— промежу­точного акцептора водорода:

С₆Н₁₂О₆ --- 2СН₃СОСООН + 2НАД^. Н₂

а во второй стадии — восстановительный — НАД • Н₂ передает водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения.

Дрожжи обладают ферментом пируватдекарбоксплазон, который катализирует реакцию декарбоксилированпя ппро-виноградной кислоты с отщеплением СО₂ и образованием уксусного альдегида:

2СН3СОСООН --- 2СН₃ СНО + 2СО₂

Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль ко­нечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с НАД • Н₂ он при участии фермента алькогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД • Н₂ регенери­руется (окисляется) в НАД:

2СН₃ СНО + НАД • Н₂ --- 2СН₃ СН₂ ОН + 2НАД.

Реакция восстановления уксусного альдегида в этило­вый спирт завершает спиртовое брожение.

С энергетической точки зрения брожение — процесс малоэкономичный; выше указывалось, что при сбражива-нии грамм-молекулы глюкозы синтезируется всего 2 моля АТФ. Недостаток выделяющейся при брожении энергии дрожжи возмещают за счет переработки большого количества сахара.

Наряду с главными продуктами брожения в небольшом количестве образуются побочные продукты: глицерин (1- 3%), уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, си­вушные масла — смесь высших спиртов (изоамилового, изо-бутилового, амилового, н-пропилового и др.) и некоторые другие вещества.

Образование дрожжами высших спиртов связано с азот­ным и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напит­ков спиртового брожения.

Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: хими­ческий состав среды, ее концентрация и кислотность, тем­пература и др.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов — преимущественно сахарозу и мальтозу. Пентозы могут использовать лишь некоторые виды дрожжей.

Крахмал дрожжи не сбраживают, так как они не име­ют амилолитических ферментов.

Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей от 10 до 15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения¹ снижается, а при 30—35% брожение обычно почти прекращается, хотя в при­роде встречаются дрожжи, способные вызвать медленное брожение сахара даже при концентрации его до 60% и выше.

Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли; используются также аминокис­лоты и пептиды.

Нормально брожение протекает в кислой среде при рН, равной 4-5. В щелочной среде направление брожения из­меняется в сторону увеличения выхода глицерина.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при тем­пературе около 30°С, а при 45-5О°С оно прекращается, так как дрожжи отмирают. При снижении температуры бро­жение замедляется, но полностью не прекращается даже при температурах, близких к 0°С.

По характеру брожения дрожжи подразделяют на верховые и низовые.

Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, проте­кает бурно и быстро при температуре 20-28°С. На поверхности бродящей жидкости образуется много пены, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных сосудов рыхлым слоем.

Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает спокойнее и медленнее, особенно если оно протекает при сравнительно низких температурах — 4-10°С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи не вы­носятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро осе­дают на дно бродильных емкостей.

Этиловый спирт, накапливающийся в процессе броже­ния, неблагоприятно влияет на дрожжи. Его угнетающее действие проявляется уже при концентрации 2-5% в зависимости от вида и расы дрожжей. В большинстве случаев брожение прекращается при 12—14% (объемных) спирта. Не­которые расы дрожжей более спиртоустойчивы и образуют 16—18% спирта. Получены расы, продуцирующие до 20% спирта.

Спиртовое брожение протекает нормально в анаэробных условиях, при этом дрожжи почти не размножаются. В среде, богатой кислородом, дрожжи ведут себя как аэробные организмы и активно размножаются.

Практическое значение спиртового брожения. Процесс спиртового брожения лежит в основе виноделия, пиво­варения, хлебопечения, производства этилового спирта и глицерина. Совместно с молочно-кислым брожением оно ис­пользуется при получении некоторых кисло-молочных продуктов (кумыса, кефира), при квашении овощей. Однако спонтанно (самопроизвольно) возникающее спиртовое бро­жение в сахаросодержащих продуктах (фруктовых соках, сиропах, компотах, варенье и др.) вызывает их порчу — забраживание.

Производство этилового спирта. При производстве эти­лового спирта для пищевых целей используют крахмалосодержащее сырье — картофель, зерно злаков, отходы крах-мало-паточных заводов и сахаросодержащее сырье — ме­лассу (черную патоку) — отход свеклосахарного производства, а также сахарную свеклу. Для получения техническо­го спирта используют гидролизаты древесины и сульфитные щелока — отходы бумажных производств.

Из крахмалосодержащего сырья путем разваривания готовят затор, который подвергают осахариванию. Источни­ком осахаривающих (амилолитических) ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зерен яч­меня, или грибной солод — ферментный препарат из грибов рода Азрег^Шиз.

В зерновом и грибном солоде, кроме амилаз, содержатся протеолитические ферменты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотсодержащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат, называемый суслом, содержащий помимо сахара и другие питательные вещества для дрожжей.

При использовании мелиссы, сульфитных щелоков и гидролизатов древесины для улучшения питательной цен­ности в них вносят источники фосфора и азота. Мелласу, кроме того, разводят водой для снижения в ней концентра­ции сахара, солей и других веществ и подкисляют серной

кислотой. Подготовленные сахаристые заторы подвергают брожению.

Применяемые дрожжи предварительно выращивают в аэробных условиях на стерильных питательных сахарсодержащих заторах, подкисленных серной кислотой или заква­шенных мелочно-кислыми бактериями (обычно палочкой Дельбрюка).

В производстве спирта, как и в других, основанных на спиртовом брожении производствах, подбирают специаль­ные расы дрожжей, обладающие необходимыми для данно­го производства свойствами.

Применяют расы верховых дрожжей Saccharomyces cerevisiae, быстро размножающиеся, спиртоустойчивые, с высокой энергией брожения, устойчивые к высокому содер­жанию в среде сухих веществ.

По окончании процесса брожения дрожжи отделяют от сброженного затора (бражки), а спирт отгоняют на специ­альных перегонных аппаратах. Получается спирт-сырец и остается отход производства — барда. Барду используют как питательную среду для выращивания кормовых дрожжей, а спирт-сырец — для технических целей или подвергают очи­стке от примесей, т. е. ректификации. Отработанные дрож­жи выпускают в виде жидких и сухих кормовых дрожжей, а в отдельных производствах — в виде прессованных пекарских.

В процессе сбраживания заторов совместно с культур­ными (производственными) дрожжами могут развиваться попадающие извне (из воздуха, сырья, аппаратуры) посто­ронние микроорганизмы. Специфические условия — кислая реакция заторов, анаэробность, наличие образующегося при брожении спирта — неблагоприятны для развития многих микробов, однако молочно-кислые бактерии и некоторые дикие дрожжи способны развиваться в этих условиях. Они используют питательные вещества среды, угнетают произ­водственные дрожжи продуктами своего обмена, при этом выход спирта снижается.

Использование спиртового брожения в хлебопечении, производстве алкогольных, слабоалкогольных напитков, некоторых кисло-молочных продуктов изложено в гл. 7.