Технологические особенности получения продуктов брожения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Брожение (тж. сбраживание, ферментация, квашение) -- метаболический процесс при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Брожение -- это анаэробный (происходящий без участия кислорода) метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы. По выражению Луи Пастера, «брожение -- это жизнь без кислорода». Большинство типов брожения осуществляют микроорганизмы -- облигатные или факультативные анаэробы.

Брожение не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию, поэтому промежуточные продукты брожения могут использоваться в ходе клеточного дыхания.

Термин «брожение» также используется в более широком смысле, для обозначения бурного роста микроорганизмов в соответствующей среде. При использовании в этом смысле не делается различия между аэробным и анаэробным метаболизмом.

Брожение часто используется для приготовления или сохранения пищи. Говоря о брожении, обычно имеют в виду брожение сахара (превращение его в спирт) с использованием дрожжей, но, к примеру, при производстве йогурта используются другие виды брожения.

Использование брожения человеком обычно предполагает применение определенных видов и штаммов микроорганизмов. Вина иногда улучшают с использованием процесса взаимного брожения.

1. История изучения

Лавуазье в конце XVIII века установил, что в ходе спиртового брожения сахар разлагается на спирт и углекислый газ. Вскоре после этого Гей-Люссак показал, что суммарная масса спирта и углекислого газа равна массе расщепленного сахара.

В 30-е годы XIX века Ш. Каньяр де Латур и Теодор Шванн окончательно установили, что дрожжи (открытые Антони ван Левенгуком) -- это живые клетки, и высказали идею о том, что брожение -- результат их жизнедеятельности. Эта идея была отвергнута ведущими химиками того времени -- Либихом, Берцелиусом и др.

Брожение было подробно изучено во второй половине XIX века Луи Пастером. Пастер убедительно доказал, вопреки господствовавшей тогда точке зрения, что брожение -- процесс не чисто химический и происходит только в присутствии живых клеток микроорганизмов.

В 1893--1898 гг. Э. Бухнер показал, что брожение может происходить не только в клетках дрожжей, но и в бесклеточном дрожжевом экстракте (Нобелевская премия по химии 1907 г.).

2. Биохимия

Брожение -- это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза. Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов -- единственный источник АТФ в анаэробных условиях.

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высоко окисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до двуокиси углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы, получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания). Однако даже у позвоночных брожение (анаэробное окисление глюкозы) используется как эффективный способ получения энергии во время коротких периодов интенсивной мышечной работы, когда перенос кислорода к мышцам недостаточен для поддержания аэробного метаболизма. Брожение у позвоночных помогает во время коротких периодов интенсивной работы, но не предназначено для длительного использования. Например, у людей гликолиз с образованием молочной кислоты дает энергию на период от 30 секунд до 2 минут. Скорость генерации АТФ примерно в 100 раз больше, чем при окислительном фосфорилировании. Уровень pH в цитоплазме быстро падает, когда в мышце накапливается молочная кислота, в конечном итоге ингибируя ферменты, вовлеченные в процесс гликолиза.

3. Продукты реакции брожения

Продукты брожения -- это, по сути, отходы, получившиеся во время превращения пирувата с целью регенерации NAD+ в отсутствие кислорода. Стандартные примеры продуктов брожения -- этанол (винный спирт), молочная кислота, водород и углекислый газ. Однако продукты брожения могут быть более экзотическими, такими как масляная кислота, ацетон, пропионовая кислота, 2,3-бутандиол и др.

Основные типы брожения:

Спиртовое брожение.

Молочнокислое брожение.

Пропионовокислое брожение.

Ацетонобутиловое брожения.

4. Использование человеком

Основная польза от брожения -- это превращение, например, сока в вино, зерна и других исходных продуктов в пиво, а углеводов в двуокись углерода при приготовлении хлебного теста. Широко используется человеком также молочнокислое брожение для приготовления кисломолочных продуктов, квашения овощей и приготовления силоса.

Поскольку фрукты сбраживаются в своем натуральном состоянии, брожение как процесс изменения пищевых продуктов появилось раньше человеческой истории. Однако люди с некоторых пор научились контролировать процесс брожения. Есть веские доказательства того, что люди сбражживали напитки в Вавилоне около 5000 г. до н. э., в Древнем Египте около 3000 г. до н. э., в доиспанской Мексике около 2000 г. до н. э. и в Судане около 1500 г. до н. э. Также существуют данные о дрожжевом хлебе в Древнем Египте около 1500 г. до н. э. и сбраживании молока в Вавилоне около 3000 г. до н. э. Китайцы, вероятно, первыми стали сбраживать овощи.

По Штейнкраузу (Steinkraus; 1995), брожение пищи выполняет пять главных задач:

Обогащение видов пищи разнообразием вкусов, ароматов и текстуры.

Сохранение существенного количества пищи с помощью молочной кислоты, алкоголя, уксусной кислоты и щелочного брожения.

Биологическое обогащение пищи протеинами, важными аминокислотами, важными жирными кислотами и витаминами.

Детоксификация в процессе брожения пищи.

Уменьшение времени и затрат на приготовление пищи.

У брожения есть несколько преимуществ, важных для приготовления или сохранения пищи. В процессе брожения можно получать важные питательные вещества или устранять непитательные. С помощью брожения пищу можно дольше сохранять, поскольку брожение может создать условия, неподходящие для нежелательных микроорганизмов. Например, при мариновании кислота, получаемая из доминирующей бактерии, препятствует росту всех других микроорганизмов.

Спиртовое брожение -- химическая реакция брожения, осуществляемая дрожжами, в результате которой одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа.

Суть реакции.

Реакция спиртового брожения подобна гликолизу. Расхождение начинается только после образования пирувата. Конечный этап гликолиза заменяется двумя ферментативными реакциями. Сначала пируват подвергается декарбоксилированию, продуктом которого является ацетальдегид. Данная реакция происходит при участии пируватдекарбоксилазы, ТПФ и ионов магния.

.

После ацетальдегид восстанавливается водородом, который отщепляется от кофермента NADH. При этом ацетальдегид восстанавливается до этанола. Собственно, цель спиртового брожения -- это окисление NADH, чтобы он мог снова принять участие в гликолизе. Катализатором является алкогольдегидрогеназа.

.

Таким образом, продуктами спиртового брожения являются этанол и , а не молочная кислота, как в молочнокислом брожении.

В результате получается реакция:

.

Спиртовое брожение сопровождается запасанием энергии в виде АТФ. Суммарно реакцию можно записать так:

.

При введении специфических ингибиторов формы брожения спиртового изменяются.

Применение.

Применение спиртового брожения сходно с применением дрожжей: пивоварение, квасоварение, приготовление дрожжевого теста, виноделие и производство других алкогольных напитков.

Молочнокислое брожение -- процесс анаэробного окисления углеводов, конечным продуктом при котором выступает молочная кислота. Название получило по характерному продукту -- молочной кислоте. Для молочнокислых бактерий является основным путем катаболизма углеводов и основным источником энергии в виде АТФ. Также молочнокислое брожение происходит в тканях животных в отсутствие кислорода при больших нагрузках.

Виды молочнокислого брожения.

Различают т.н. гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение, в зависимости от выделяющихся продуктов помимо молочной кислоты и их процентного соотношения. Отличие также заключается и в разных путях получения пирувата при деградации углеводов гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями.

Гомоферментативное молочнокислое брожение.

При гомоферментативном молочнокислом брожении углевод сначала окисляется до пирувата по гликолитическому пути, затем пируват восстанавливается до молочной кислоты НАДН+Н (образовавшегося на стадии гликолиза при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата) при помощи лактатдегидрогеназы. От стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы зависит, какой энантиомер молочной кислоты будет превалировать в продуктах- L-, D- молочная кислота или же DL-рацемат. Продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения является молочная кислота, которая составляет не менее 90 % всех продуктов брожения. Промежуточными продуктами являются: глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, 3-фосфоглицериновый альдегид, 1,3-дифосфоглицериновая кислота, пировиноградная кислота. Примеры гомоферментативных молочнокислых бактерий: Lactobacillus casei , L. acidophilus , Streptococcus lactis.

Гетероферментативное молочнокислое брожение.

В отличие от гомоферментативного брожения, деградация глюкозы идет по пентозофосфатному пути, образующийся из ксилулозо-5-фосфата глицеральдегид-3-фосфат окисляется до молочной кислоты, а ацетилфосфат восстанавливается до этанола (некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии окисляют полученный этанол частично или полностью до ацетата). Таким образом, при гетероферментативном молочнокислом брожении образуется больше продуктов: молочная кислота, уксусная кислота, этанол, двуокись углерода. примеры гетероферментативных молочнокислых бактерий: L. fermentum, L. brevis, Leuconostoc mesenteroides, Oenococcus oeni.

Значение молочнокислого брожения для человека.

Молочнокислое брожение используется для консервации продуктов питания (за счет ингибирования роста микроорганизмов молочной кислотой и понижения рН) с целью длительного сохранения (пример- квашение овощей, сырокопчение), приготовлении кисломолочных продуктов (кефира, ряженки, йогурта, сметаны), силосовании растительной массы, а также биотехнологического способа производства молочной кислоты.

Пропионовокислое брожение.

Пропионовокислое брожение -- тип брожения, осуществляемый пропионовокислыми бактериямии, который приводит к сбраживанием углеводов с образованием пропионовой кислоты CH3CH2COOH, углекислоты и воды.

Биохимия.

Данный тип брожения происходит в анаэробных условиях под действием бактерий из рода Propionibacterium (при доступе кислорода пропионовокислые бактерии не сбраживают углеводы, а осуществляют окислительный процесс).

Пропионовые бактерии способны фиксировать CO2, при этом из пировиноградной кислоты и CO2 образуется щавелевоуксусная кислота, превращающаяся в янтарную к-ту, из которой декарбоксилированием образуется пропионовая кислота: Суммарно, можно так описать реакцию сбраживания глюкозы C6H12O6 при пропионовокислом брожении:

3C6H12O6 > 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2CO2^ + 2H2O + E

Таким образом, основными продуктами данного пропионовокислого брожения являются пропионовая кислота CH3CH2COOH, а также уксусная кислота CH3COOH, углекислый газ CO2 и вода H2O; кроме того выделяется энергия.

Побочными продуктами этого биохимического процесса, являются янтарная кислота, ацетоин, диацетил, другие летучие ароматические соединения - диметилсульфид, ацетальдегид, пропионовый альдегид, этанол и пропанол.

Восстановление пирувата идет по метилмалонил-КоА-пути, названному так по характерному промежуточному продукту (метилмалонил-КоА). При этом пируват сначала карбоксилируется до оксалацетата, который последовательно восстанавливается до сукцината через малат и фумарат. На уровне метилмалонил-КоА, образующегося из активизированного сукцината (сукцинил-КоА), происходит декарбоксилирование и образование пропионил-КоА, а затем - пропионата как продукта брожения.

Практическое применение.

Пропионовокислое брожение применяется пищевой промышленности, например в хлебопечении для фунгицидного воздействия при закваске теста. Пропионовокислое брожение также используется в сыроделии. Летучие кислоты (пропионовая и уксусная), образующиеся в результате данного брожения, придают сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков углекислый газ образует «глазки» в сыре.

Ацетоно-бутилового брожение.

Процессы ацетоно-бутилового брожения близки к процессам маслянокислого брожения. Однако здесь происходит потребление образующихся кислот, и они не накапливаются в значительных количествах.

В ацетоно-бутиловом брожении в первый период образуется уксусная и масляная кислоты, выделяется водород и углекислый газ. Затем масляная кислота восстанавливается до бутилового спирта. Ацетон образуется из продукта конденсации уксусной кислоты - ацетонуксусной кислоты при декарбоксилировании. Во время брожения в среде накапливается много рибофлавина, причем количество его тем больше, чем интенсивнее образуется ацетон. Разработаны способы получения кормового препарата рибофлавина из ацетоно-бутиловой барды после отделения органических растворителей.

При ацетоно-бутиловом брожении из 1 m кукурузы, содержащей 70 % крахмала, получается около 90 кг ацетона, 180 кг - бутанола и 30 кг этанола. В настоящее время биохимический метод получения ацетона, связанный с затратами пищевого сырья, в нашей стране не применяется.

При ацетоно-бутиловом брожении из 1 т кукурузы, содержащей 70 % крахмала, получается около 90 кг ацетона, 180 кг я-бутанола и 30 кг этанола. В настоящее время биохимический метод получения ацетона, связанный с затратами пищевого сырья, в нашей стране не применяется.

Производство ацетона методом ацетоно-бутилового брожения было впервые организовано в Англии и Канаде в годы первой мировой войны, так как эти страны испытывали острую нужду в ацетоне для приготовления бездымного пороха.

Но для проведения ацетоно-бутилового брожения необходимо предварительно тщательно очистить гидролизат от ядовитых для бактерий веществ активированным углем и отгонкой паром, а также другими методами, что связано со значительными затратами. Поэтому этот метод не внедрен в промышленность.

В качестве сырья для ацетоно-бутилового брожения могут служить также углеводы различного происхождения, содержащие гексозные сахара. Так, на бродильных заводах в достаточно широких масштабах применяют мелассу (патоку) - отход сахарного производства.

Естественно, что метод ацетоно-бутилового брожения не будет иметь дальнейшего развития, поскольку он основан на использовании ценных пищевых продуктов. Не предполагается также развивать производство бутилового спирта на заводах синтетического каучука, так как дивинил в скором времени будут получать не из этилового спирта, а дегидрированием бутана. Для синтеза бутилового спирта намечается использовать в первую очередь метод оксосинтеза пропилена или вырабатывать его из этилена, ацетилена гота синтетического этилового спирта. Согласно проектным данным, бутиловый спирт, полученный методом оксосинтеза, будет стоить в 3-4 раза дешевле, чем продукт ацетоно-бутилового брожения.

Изучение физиологии группы клостридиев, осуществляющих ацетоно-бутиловое брожение, привело к открытию В.Н. Шапошниковым (1884-1968) явления двухфазности этого процесса, которое позднее было обнаружено в большинстве типов брожений, характеризующихся сложным набором конечных продуктов. В основе явления двухфазности лежит тесная связь между конструктивными и энергетическими процессами. Вначале, когда имеет место активный рост культуры, сопровождающийся интенсивными биосинтетическими процессами, происходит значительный отток образующегося при брожении восстановителя для конструктивных целей. При затухании роста и переходе культуры в стационарное состояние уменьшается потребность в восстановителе для конструктивных целей. Таким образом, масштабы конструктивного метаболизма определяют характер и направление энергетических процессов.

Были изучены также возможности использования для ацетоно-бутилового брожения Сахаров древесных гидролизатов, прошедших специальную обработку. Исследования показали, что из гидролизных Сахаров могут быть получены те же продукты, что и при сбраживании пищевого сырья, однако при этом эксплуатационные и капитальные затраты весьма велики, что делает это производство неэкономичным.

Получение к-бутанола из пищевого сырья осуществляется методом ацетоно-бутилового брожения.

Ацетон может быть получен из крахмала в результате ацетоно-бутилового брожения, вызываемого некоторыми грибками.

Ацетон первоначально выделяли из продуктов сухой перегонки древесины и ацетоно-бутилового брожения углеводов.

Особенно много нейтральных продуктов образуется культурой С. У клостридиев, осуществляющих ацетоно-бутиловое брожение, образование масляной кислоты происходит на первом этапе брожения. По мере подкисле-ния среды (до рН ниже 5) и повышения в ней концентрации жирных кислот индуцируется синтез ферментов, приводящих к накоплению нейтральных продуктов, в первую очередь н-бута-нола и ацетона. Первая из них заключается в отщеплении кофермента А и одновременном гидрировании, приводящем к образованию масляного альдегида. Последующее его восстановление с помощью НАДН2 приводит к появлению н-бутанола. Путь, ведущий к образованию ацетона, начинается с переноса от ацетоацетил - КоА кофермента А на ацетат. Декарбоксилирование ацетоуксусной кислоты приводит к образованию ацетона.

Лимонная кислота.

Лимонная кислота (2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота, 3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая) (C6H8O7) -- кристаллическое вещество белого цвета, температура плавления 153 °C, хорошо растворима в воде, растворима в этиловом спирте, малорастворима в диэтиловом эфире. Слабая трёхосновная кислота. Соли и эфиры лимонной кислоты называются цитратами.

Открытие.

Впервые лимонная кислота была выделена в 1784 году из сока недозрелых лимонов шведским аптекарем Карлом Шееле.

Биохимическая роль.

Лимонная кислота, являясь главным промежуточным продуктом метаболического цикла трикарбоновых кислот, играет важную роль в системе биохимических реакций клеточного дыхания множества организмов.

Нахождение в природе.

Поскольку цикл трикарбоновых кислот используют при дыхании все аэробные организмы, то лимонная кислота в определённой концентрации содержится в большинстве прокариотов и почти во всех эукариотах (преимущественно в митохондриях). В наибольшей концентрации она содержится в ряде растений: в ягодах, плодах цитрусовых, хвое, стеблях махорки, особенно много её в китайском лимоннике и недозрелых лимонах.

Свойства.

Слабая трёх основная кислота в растворе подвергается электролитической диссоциации. Константы диссоциации (в воде при 18°C):

К1 = 8,4·10?4.

K2 = 1,7·10?5.

K3 = 4·10?7.

Проявляет общие для всех карбоновых кислот свойства. При нагревании выше 175°C самой по себе, а также с крепкими кислотами, лимонная кислота переходит в аконитовую кислоту, а при сухой перегонке, теряя воду и углекислый газ и при одновременном образовании ацетона, в ангидриды итаконовой и цитраконовой кислот (см.декарбоксилирование). В водном растворе образует хелатные комплексы с ионами кальция, магния, меди, железа и др. субстрат спиртовой гомоферментативный ферментация

Промышленное получение.

Лимонную кислоту раньше получали из сока лимона и биомассы махорки. В настоящее время основной путь промышленного производства -- биосинтез из сахара или сахаристых веществ (меласса) промышленными штаммами плесневого гриба Aspergillus niger.

Применение.

Сама кислота, как и её соли (цитрат натрия, цитрат калия, цитрат кальция), широко используется как вкусовая добавка, регулятор кислотности иконсервант в пищевой промышленности (пищевые добавки E330--Е333), для производства напитков, сухих шипучих напитков.

Применяется в медицине, в том числе в составе средств, улучшающих энергетический обмен (в цикле Кребса).

В косметике используется как регулятор кислотности, буфер, хелатирующий агент, для шипучих композиций (ванны).

В нефтяной промышленности при бурении нефтяных и газовых скважин используется для нейтрализации цемента в растворе (например, после срезки с цементного моста). Лимонная кислота удаляет ионы кальция из бурового раствора.

При приёме внутрь в небольших дозах (например, при употреблении цитрусовых) активирует цикл Кребса, что способствует ускорению метаболизма.

Влияние на здоровье.

Лимонная кислота содержится в организме человека.

Сухая лимонная кислота и её концентрированные растворы при попадании в глаза вызывают сильное раздражение, при контакте с кожей возможно слабое раздражение. При единовременном употреблении внутрь больших количеств лимонной кислоты возможны: раздражение слизистой оболочки желудка, кашель, боль, кровавая рвота. При вдыхании сухой лимонной кислоты -- раздражение дыхательных путей.

Размещено на Allbest.ru