Молочно-кислое брожение

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение – процесс превращения сахара в этиловый спирт и углекислый газ микроорганизмами. Суммарное уравнение спиртового брожения описывается уравнением Гей-Люссака следующим образом:

C₆H₁₂O₆ = 2CH₃CH₂OH+2CO₂ + 94 кДж (28 ккал)

Из этого уравнения следует, что на 180 массовых единиц глюкозы образуется 88 единиц диоксида углерода и 92 единицы этилового спирта, или на 1 мг диоксида углерода получается 1,04 мл этилового спирта, причём расходуется 2,04 мг глюкозы. Эти данные обычно используются при расчёте количества углеводов на спиртовое брожение теста с прессованными дрожжами, исходя из предпосылки, что основным типом брожения при этих условиях является именно спиртовое брожение. Фактический баланс спиртового брожения при активной кислотности среды рН 6,0 (рН бродящего теста) близок к теоретическому. При оптимальных условиях брожения (температуре 30 °С и определённом составе синтетической среды) 1 г прессованных дрожжей сбраживает 1 г сахарозы за 1 ч.

В основном возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Также спиртовое брожение могут вызвать мицелиальные 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 ещё в начале 18 века, 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 ещё Бухнер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования позволили установить, что зимаза комплекс ферментов.

Химизм спиртового брожения

Спиртовое брожение, как и любое другое брожение протекает в две стадии

I–я стадия – окислительная – включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образованием двух молекул восстановленного НАД·Н₂ – промежуточного акцептора водорода:

C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CОСООН+2 НАД·Н₂

II-я стадия – восстановительная - НАД·Н₂ передаёт водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения

Дрожжи обладают ферментом пируват декарбоксилазой, который катализирует реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты с отщеплением СО₂ и образованием уксусного альдегида:

2CH₃CОСООН → 2СН₃СНО+2СО₂

Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. В среде теста углекислый газ является активным разрыхлителем. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с НАД·Н₂, он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД·Н₂ регенерируется (окисляется) в НАД:

2СН₃СНО+ НАД·Н₂ → 2СН₃СН₂ОН + 2 НАД

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт завершает спиртовое брожение.

С энергетической точки зрения процесс брожения малоэкономичен. Недостаток выделяющейся при брожении энергии дрожжи возмещают за счёт переработки большого количества сахара. При доступе кислорода спиртовое брожение вытесняется полным окислением углеводов до диоксида углерода и воды с выделением значительного количества энергии:

C₆H₁₂O₆ + 3О₂ = 6Н₂О+6CO₂ + 2830,8 кДж

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, изобутилового, амилового, н-пропилового и др.) и некоторые другие вещества. Образование дрожжами высших спиртов связано с азотистым и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в образовании аромата и вкуса продуктов спиртового брожения.

На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: химический состав среды, ей концентрация, кислотность, температура и др.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов – преимущественно сахарозу, мальтозу. Пентозы могут использовать лишь некоторые виды дрожжей. Крахмал дрожжи не сбраживают, так как они не имеют пищеварительных ферментов. Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей от 10 до 15 %. При повышении концентрации сахара энергия брожения^* (энергия брожения – способность определённого количества дрожжей сбраживать за определённый промежуток времени то или иное количество сахара) снижается, а при 30-35 % брожении обычно почти прекращается, хотя в природе встречаются дрожжи, способные вызвать медленное брожение сахара даже при концентрации его до 60 % и выше.

Из общих моментов, характеризующих сбораживание сахаров дрожжами, следует отметить, что кинетика этого процесса следует теории Михаэлиса-Ментона в пределах концентрации глюкозы от 0,2 до 5 %, а для фруктозы от 0,4 до 6 %. Константа Михаэлиса-Ментона (концентрация субстрата, выраженная в молях на литр, при которой наблюдается скорость реакции, равная половине максимальной) К_м равна 0,01067 для глюкозы, а для фруктозы – 0,0225, что показывает преимущественное сбраживание глюкозы.

Известно, что скорость инверсии сахарозы дрожжами превышает скорость сбраживания её компонентов – глюкозы и фруктозы. Если в бродящей среде сахароза является единственным источником сбраживаемых сахаров, то это не будет лимитировать процесс брожения. Это имеет существенное значение для теоретических расчётов при брожении теста с незначительной продолжительностью (ускоренные технологии) или низкой активностью ферментов, осахаривающих крахмал, где единственным источником сбраживаемых углеводов является сахар-песок, добавляемый по рецептуре.

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 40-45 °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 подразделяются на верховые и низовые дрожжи.

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 ёмкостей.

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 % (объёмных) спирта. Некоторые расы дрожжей более спиртоустойчивы и образуют 16-18 % спирта. Получены расы, продуцирующие до 20 % спирта.

Процесс спиртового брожения лежит в основе виноделия, пивоварения, хлебопечения, производства этилового спирта и глицерина. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при получении некоторых кисломолочных 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.

Молочно-кислое брожение

Данное брожение – превращение сахара молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. наряду с этим основным продуктом брожения в большем или меньшем количестве образуются побочные продукты. По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные, гетероферментативные.

Гомоферментативные (однотипно-бродящие) бактерии образуют в основном (не менее 85-90 %) молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Этот тип молочно-кислого брожения можно представить следующим уравнением:

C₆Н₁₂О₆ = 2СН₃СНОНСООН

Гетероферментативные (разнотипно-бродящие) бактерии – менее активные кислотообразователи. Количество обрузуемой молочной кислоты составляет 20-40 %Наряду с молочной кислотой они образуют значительное количество других веществ – этиловый спирт, углекислый газ, некоторые ещё уксусную кислоту, ацетоин (СН₃СНОНСО СН₃) и диацетил (СН₃СОСОСН₃), обладающий своеобразным приятным ароматом.

В зависимости от условий развития (рН, температуры, степени аэробности и др.) характер конечных продуктов брожения может меняться у одного и того же вида молочных бактерий.

Химизм молочно-кислого брожения

Гомоферментативное мк брожение происходит по гликолитической схеме Эмбдена-Мейргофа. Процесс превращения глюкозы у гомоферментативных молочнокислых бактерий протекает по гликолитическому пути. Далее в виду отсутствия у этих бактерий фермента пируватдекарбоксилазы, пвк не подергается расщеплению: в этом брожении она является конечным акцептором водорода.

Пвк при участии фермента лактикодегидрогеназы восстанавливается в молочную, а НАД·Н₂ окисляется в НАД:

СН₃СОСООН + НАД·Н₂ = СН₃СНОНСООН + НАД

Превращение глюкозы гетероферментативными бактериями происходит по-иному – петозофосфатным путём, что обусловливает своеобразие комплекса ферментов у этих бактерий. Из-за отсутствия у них фермента альдолазы изменяется начальный путь превращения глюкозы. После фосфорилирования гексоза окисляется (отщепляется водород) и декарбоксилируется (отщепляется СО₂) превращаясь в пентозофосфат. Последний расщепляется на фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат. Фосфоглицериновый альдегид, как и у гомоферментативных молочнокислых бактерий, превращается в пвк, которая затем восстанавливается в молочную кислоту. Ацетилфосфат дефосфорилируется и прверащается в уксусную кислоту или восстанавливается (через уксусный альдегид) в этиловый спирт. Таким образом, конечным акцептором водорода в этом типе брожения служат пвк и уксусный альдегид.

Из углеводов преимущественно сбраживаются мк бактериями гексозы и дисахариды. Гетероферментативные мк бактерии и некоторые виды Lactobacillus plantarum сбраживают пентозы. Некоторые виды гомоферментативных мк бактерий также могут сбраживать пентозы, причём из 3-х молей пентоз образуется 5 молей молочной кислоты. Эта особенность имеет определённое технологическое значение при сбраживании ржаных, ржано0пшеничных полуфабрикатов, которые содержат много пентозанов и продуктов их гидролиа.

Мк брожение осуществляется наиболее интенсивно в кислой среде при рН 5-6. в полуфабрикатах хлебопекарного производства бактерии активны при рН 3-3,5.

Повышенное осмотическое давление (при концентрации сахара в среде 15 % и соли более 6 %) неблагоприятно воздействует на мк бактерии, но при высоких концентрациях спирта (до 18-24 %) они способны развиваться.

Сложные взаимодействия различных факторов (состав среды, рН, температура) определяют в конечном счёте характер и количественное соотношение основных и побочных продуктов мк брожения. Образование уксусной кислоты не является желательным, т.к. эта кислота летучая и обладает резко выраженным вкусом и запахом и чрезмерное её накопление может ухудшить органолептические характеристики продукта.

В полуфабрикатах хлебопекарного производства, кроме спиртового и мк брожения, встречаются пропионовокисое, бутиленгликолевое, масляное, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое и другие типы брожения.