Спиртове бродіння

У 1836 французький учений Каньяр де ла Тур встановив, що спиртове бродіння пов'язано із зростанням і розмноженням дріжджів. Хімічне рівняння спиртового бродіння: C₆H₁₂O₆ = 2C₂H₅OH + 2CO₂ було дано французькими хіміками А. Лавуазье (1789) і Ж. Гей-люссаком (1815). Л. Пастер прийшов до висновку (1857), що спиртове бродіння можуть викликати тільки живі дріжджі в анаеробних умовах («бродіння - це життя без повітря»). На противагу цьому німецький учений Ю. Лібіх наполягав на тому, що бродіння відбувається поза живою клітиною. На можливість безклітинного спиртового бродіння вперше (1871) вказала російський лікар-біохімік М. М. Манассєїна. Німецький хімік Э. Бухнер в 1897, віджавши під великим тиском дріжджі, розтерті з кварцевим піском, одержав безклітинний сік, що зброджує цукор з утворенням спирту і CO₂. При нагріванні до 50°C і вище за сік втрачав бродильні властивості. Все це указувало на ферментативну природу активного початку, що міститься в дріжджовому сіку. Російський хімік Л. А. Іванов виявив (1905), що додані до дріжджового сіку фосфати у декілька разів підвищують швидкість бродіння Дослідження вітчизняних біохіміків А. І. Лебедева, С. П. Костичева, Я. О. Парнаса і німецьких біохіміків До. Нейберга, Р. Ембдена, О. Мейергофа і ін. підтвердили, що фосфорна кислота бере участь в найважливіших етапах спиртового бродіння.

Надалі багато дослідників детально вивчили ферментативну природу і механізм спиртового бродіння. Послідовність реакцій до стадії утворення ПВК аналогічна реакціям гліколізу. В подальшому ПВК за участю наявного в дріжджах ферменту піруватдекарбоксилази розщеплюється на оцетовий альдегід та двоокис вуглецю. Оцетовий альдегід, реагуючи з тією, що утворилася під час окислення гліцеринальдегідфосфорної кислоти відновленою формою никотинамідаденіндинуклеотиду (НАД-Н), за участю ферменту алкогольдегідрогенази перетворюється на етиловий спирт. Сумарно рівняння спиртового бродіння може бути представлено в наступному вигляді:

C₆H₁₂O₆ + 2H₃PO₄ + 2АДФ = 2CH₃CH₂OH + 2CO₂ + 2АТФ.

Таким чином, при зброджуванні 1 моля глюкози утворюються 2 моля етилового спирту, 2 благаючи CO₂, а також в результаті фосфорилювання 2 молі АДФ утворюються 2 благаючи АТФ. Термодинамічні розрахунки показують, що при спиртному бродіння перетворення 1 моля глюкози може супроводжуватися зменшенням вільної енергії приблизно на 210 кдж (50 000 кал), тобто енергія, закумульована в 1 молі етилового спирту, на 210 кдж (50 000 кал) менше енергії 1 моля глюкози. При освіті 1 благаючи АТФ (макроергічних - багатих енергією фосфатних з'єднань) використовується 42 кдж (10 000 кал). Отже, значна частина енергії, що звільняється при спиртному бродінні, запасається у вигляді АТФ, що забезпечує різноманітні енергетичні потреби дріжджових кліток. Таке ж біологічне значення має процес бродіння для інших мікроорганізмів. При повному згоранні 1 моля глюкози (з утворенням CO₂ і H₂O) зміна вільній енергії досягає 2,87 Мдж (686 000 кал). Інакше кажучи, дріжджова клітка використовує лише 7% енергії глюкози. Це показує малу ефективність анаеробних процесів в порівнянні з процесами, що йдуть у присутності кисню. За наявності кисню спиртове бродіння пригнічується або припиняється і дріжджі одержують енергію для життєдіяльності в процесі дихання. Спостерігається тісний зв'язок між бродінням. і диханням мікроорганізмів, рослин і тварин. Ферменти, що беруть участь в спиртному бродінні, є також в тканинах тварин і рослин. У багатьох випадках перші етапи розщеплювання сахаров, аж до утворення піровиноградної кислоти, - загальні для бродіння та дихання. Більше значення процес анаеробного розпаду глюкози має і при скороченні м'язів, перші етапи цього процесу також схожі з початковими реакціями спиртового бродіння.

Зброджування вуглеводів (глюкози, ферментативних гідролізатів крохмалю, кислотних гідролізатів деревини) використовується в багатьох галузях промисловості: для отримання етилового спирту, гліцерину і ін. технічних і харчових продуктів. На спиртному бродінні засновані приготування тесту в хлібопекарській промисловості, виноробство і пивоваріння.

Молочнокисле бродіння. Молочнокислі бактерії підрозділяють на 2 групи - гомоферментатівні та гетероферментативні. Гомоферментативні бактерії (наприклад, Lactobacillus delbruckii) розщеплюють моносахариди з утворенням двох молекул молочної кислоти відповідно до сумарного рівняння:

C₆H₁₂O₆ = 2CH₃CHOH·COOH.

Гетероферментативні бактерії (наприклад, Bacterium lactis aerogenes) ведуть зброджування з освітою молочної кислоти, оцетової кислоти, етилового спирту і CO₂, а також утворюють невелику кількість ароматичних. речовин - диацетилу, ефірів і т.д. Під час молочнокислого бродіння перетворення вуглеводів, особливо на перших етапах, близько до реакцій спиртового бродіння, за винятком декарбоксилювання піровиноградної кислоти, яка відновлюється до молочної кислоти за рахунок водню, що одержується від НАД-Н. Гомоферментативне молочнокисле бродіння використовується для отримання молочної кислоти, при виготовленні різних кислих молочних продуктів, хліби і в силосуванні кормів в сільському господарстві. Гетероферментативне молочнокисле бродіння відбувається при консервації різних плодів і овочів шляхом квашення.

Маслянокисле бродіння. Зброджування вуглеводів з переважним утворенням масляної кислоти проводять багато анаеробних бактерій, що відносяться до роду Clostridium. Перші етапи розщеплювання вуглеводів при маслянокислому бродінні аналогічні відповідним етапам спиртового бродіння, аж до утворення піровиноградної кислоти, з якої при маслянокислому бродінні утворюється ацетил-кофермент A (CH₃CO-KoA). Ацетил-KoA може служити попередником масляної кислоти, піддававшись наступним перетворенням:

Маслянокисле бродіння застосовувалося для отримання масляної кислоти з крохмалю.

Ацетоно-бутилове бродіння. Бактерії Clostridium acetobutylicum зброджують вуглеводи з переважним утворенням бутилового спирту (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) і ацетону (CH₃COCH₃). При цьому утворюються також в порівняно невеликих кількостях водень, CO₂, оцетова, масляна кислоти, етиловий спирт. Перші етапи розщеплювання вуглеводів ті ж, що і при спиртному бродінні бутиловий спирт утворюється шляхом відновлення масляної кислоти:

CH₃CH₂CH₂COOH + 4H = CH₃CH₂CH₂CH₂OH + H₂O.

Ацетон же утворюється декарбоксилюванням ацетооцтової кислоти, яка виходить в результаті конденсації двох молекул оцетової кислоти. Дослідженнями В. Н. Шапошникова показано, що ацетоно-бутилове бродіння (як і ряд ін., наприклад пропіоновокисле, маслянокисле) у дослідах з культурою, що росте, відбувається в дві фази. У першу фазу бродіння паралельно з наростанням біомаси накопичуються оцетова і масляна кислоти; у другу фазу утворюються переважно ацетон і бутиловий спирт. При ацетоно-бутиловому бродінні зброджуються моносахариди, дисахариди і полісахариди - крохмаль, інсулін, але не зброджуються клітковина і геміцеллюлоза. Ацетоно-бутилове БРОДІННЯ використовувалося для промислового отримання бутилового спирту та ацетону, що використовуються в хімічній та лакофарбній промисловості.

Пропіоновокисле бродіння. Основні продукти пропіоновокислого бродіння, що викликається декількома видами бактерій з роду Propionibacterium, - пропіонова (CH₃CH₂OH) і оцетова кислоти і CO₂. Хімізм пропіоновокислого бродіння сильно змінюється залежно від умов. Це, мабуть, пояснюється здатністю пропіонових бактерій перебудовувати обмін речовин, наприклад залежно від аерації. При доступі кисню вони ведуть окислювальний процес, а в його відсутності розщеплюють гексози шляхом бродіння Пропіонові бактерії здатні фіксувати CO₂, при цьому з піровиноградної к-ти і CO₂ утворюється щавлевооцетова к-та, що перетворюється на янтарну к-ту, з якої декарбоксилюванням утворюється пропіонова к-та:

Існують бродіння, які супроводжуються і відновними процесами. Прикладом такого «окислювального» бродіння служить лимоннокисле бродіння. Багато цвілевих грибів зброджують цукру з утворенням лимонної кислоти. Найбільш активні штами Aspergillus niger перетворюють до 90% спожитого цукру в лимонну кислоту. Значна частина лимонної кислоти, використовуваної в харчовій промисловості, проводиться мікробіологічним шляхом - глибинним і поверхневим культивуванням цвілевих грибів.

Іноді за традицією і чисто окислювальні процеси, здійснювані мікроорганізмами, називається бродіння. Прикладами таких процесів можуть служити оцтовокисле та глюконовокисле бродіння.

Оцтовокисле бродіння. Бактерії, що відносяться до роду Acetobacter, окисляють етиловий спирт в оцетову кислоту відповідно до сумарної реакції:

Проміжне з'єднання при окисленні спирту в оцетову кислоту - оцетовий альдегід. Багато оцтовокислих бактерій, окрім окислення спирту в оцетову кислоту, здійснюють окислення глюкози в глюконову і кетоглюконову кислоти.

Глюконовокисле бродіння здійснюють і деякі цвілеві гриби, здатні окисляти альдегідну групу глюкози, перетворюючи останню на глюконову кислоту:

Кальцієва сіль глюконової кислоти служить хорошим джерелом кальцію для людей і тварин.