Приветствуем Вас!

Для получения Всех удобств нашего Интернет-магазина, Вам необходимо зарегистрироваться

Пожалуйста представьтесь!

Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь:
Войти как пользователь
Вы можете войти на сайт, если вы зарегистрированы на одном из этих сервисов:

Еще не зарегистрировалсь? Вводите данные!

Регистрация
Логин (мин. 3 символа):*
Пароль:*
Подтверждение пароля:*
Адрес e-mail:*
Имя:*
Фамилия:
Защита от автоматической регистрации
CAPTCHA
Введите слово на картинке:*

Пароль должен быть не менее 6 символов длиной.

*Поля, обязательные для заполнения.

Научные аспекты спиртового брожения

Спиртовым брожением является превращение глюкозы в спирт и углекислый газ с помощью микроорганизмов. Если сам процесс получения спирта был известен и применялся со времен глубокой древности, то научное обоснование спиртового брожения было дано только в середине XIX века.

 

Изучение процесса брожения порождало большое количество споров в научном сообществе. Первыми, кто дал химическое уравнение, объясняющее процесс брожения были Ж. Гей-Люссак и А. Лавуазье. Сущность брожения имела большое количество разных объяснений и стала предметом спора между Ю. Либихом и Л. Пастером. Первый утверждал, что процесс имеет механическую природу, а колебания молекул живых белков передаются сахару, который расщепляется на спирт и углекислый газ.

Пастер опытным путем подтвердил, что процесс брожения имеет биологическую основу. Практикой было доказано, что брожение является результатом анаэробного взаимодействия дрожжей с глюкозой. Ученые С. П. Костычев и В. И. Палладин также доказали, что в основе кислородного дыхания лежит похожий процесс – анаэробный распад молекул сахара.

Бесклеточное брожение начало изучаться в 1871 русским врачом биохимиком М. М. Манассеиной. Ферментативная сущность данной реакции была раскрыта братьями Т. и Э. Бухнер в 1897 году благодаря получению дрожжевого сока. Помимо них, к изучению процесса брожения причастны следующие известные зарубежные и отечественные ученые: Иванов, Гарден, Нёйберг, Эмбден, Мейергоф, Парнас и многие другие.

И именно наши ученые Иванов и Лебедев сделали значительный шаг в научном обосновании теории спиртового брожения благодаря доказательству участия фосфатов в процессе. Иванов открыл закономерность, которая подразумевала, что именно фосфорный эфир подвергается анаэробному распаду, а не свободная молекула гексозы, как считалось ранее. Дальнейшее изучение процессов подтвердило, что именно гликолиз является первым этапом химической реакции брожения. Все эти реакции выполняются с таким же запасом энергии и осуществляются тем же путем что и спиртовое брожение (анаэробный) и дыхание (аэробный). Таким образом была еще раз подтверждена биологическая сущность спиртового брожения.

Далее представлена современная схема спиртового брожения, которая применяется для получения спирта в промышленных масштабах:

1. Фосфорилирование D-глюкозы за счет АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Эта первая реакция гликолиза катализируется тексокиназой. В клетке количество свободной D-глюкозы сравнительно не велико; большая ее часть находится в фосфорилированной форме:

АТФ + D-глюкоза – АДФ + D-глюкозо-б-фосфат.

2.Превращение D-глюкозо-б-фосфата во фруктозо-6-фосфат в результате реакции изомеризации, катализируемой фосфогексозоизомеразой:

D-глюкозо-б-фосфат # D-фруктозо-б-фосфат.

3. Фосфорилирование D-фурктозо-б-фосфата путем присоединенияеще одного остатка фосфорной кислоты с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. В этой второй „пусковой" реакции используется еще одна молекула АТФ при участии фермента фосфофруктокиназы. Доказано, что суммарная скорость гликолиза лимитируется именно этой реакцией, катализируемой фосфофруктокиназой:

АТФ + D-фруктозо-б-фосфат -> АДФ + О-фруктозо-1, 6-дифосфат.

4. Расщепление фруктозо-1, 6-дифосфата на 2 фосфотриозы: глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат. Реакция катализируется альдолазой:

0-фруктозо-1, 6-дифосфат «^диоксиацетонфосфат + D-глицеральде-гид-3-фосфат.

5. В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только одна из двух образующихся фосфотриоз, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако и диоксиацетонфосфат благодаря присутствию в клетке специфическ. фермента триозофосфатизомеразы полностью преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат. В результате этой реакции обеспечивается полное использование глюкозы в энергетическом обмене клетки:

диоксиацетонфосфат «± D-глицеральдегид-З-фосфат.

6. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерата. Реакция катализируется специфической дегидрогеназой триозофосфата (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназой) и называется реакцией гликолитического окисления-восстановления. Окисление глицеральдегид-3-фосфата, катализируемого дегидрогеназой, является единственный окислительным этапом на всем протяжении гликолиза. Однако кислород в этой реакции не участвует. Требуется лишь присутствие окислителя НАД +, который при этом восстанавливается до НАД • Н (символом НАД обозначается окислительно-восстановительный кофермент никотинамид-адениндинуклеотид, НАД+ — его окисленная форма,

НАД-Н— восстановленная):

D-глицеральдегид-З-фосфат  + НАД+  + Фн -> 1,3-дифосфоглицерат +НАДН + Н + .

7. Перенос фосфатной группы от 1,3-дифосфоглицерата на АДФ. Под действием двух ферментов (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы до карбоксильной, запасается в форме энергии фосфатных связей АТФ.

1,3-Дифосфоглицерат + АДФ # 3-фосфоглицерат + АТФ. Глицеральдегид-3-фосфат + Фн + АДФ + НАД+ <* 3-фосфоглицерат + + АТФ + НАД-Н + Н+.         (к реакциям 1 и 3)

8. Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат катализируется фосфоглицеромутазой:

3-фосфоглицерат <± 2-фосфоглицерат.

9. Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата катализируется енолазой:

2-фосфоглицерат # фосфоенолпируват + N20.

10. Перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата на,АДФ с образованием пирувата и АТФ катализируется пируваткиназой (АТФ: пируват-фосфотрансферазой):

фосфоенолпируват + АДФ ^ пируват + АТФ.

Образование пировиноградной кислоты — поворотный этап анаэробного расщепления сахара, являющийся общим для дыхания, гликолиза и брожения всех видов. Основное значение гликолиза состоит в перестройке структуры молекулы глюкозы в высокоактивный и лабильный в химическом отношении пируват, что облегчает биохимическ. превращение исходного субстрата на последующих этапах окислительно-восстановительных процессов.

11. Если кислород отсутствует, то дальнейшие превращения пировиноградной кислоты происходят анаэробным путем, в процессе брожения (молочнокислого, спиртового и др.). При брожении последний этап гликолиза, катализируемого лактатдегидрогеназой, заменен двумя другими ферментативными реакциями, при участии соответственно пируват-декарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. В результате этих реакций образуется этиловый спирт — конечный продукт спиртового брожения.

А. Пируват -+> Ацетальдегид + СO2 (необратимая реакция). Б. Ацетальдегид + НАД-Н + Н+ «± Этанол + НАД+. Суммарное уравнение спиртового брожения: С6Н1206 + 2Фн + 2АДФ -> 2С,Н5ОН + 2СO2 + + 2АТФ. При введении специфическихингибиторов формы брожения спиртового изменяются.

Вторая форма брожения Нёйберга. Для получения глицерина в сбраживаемую среду вводят бисульфит натрия, который связывает ацетальдегид и предотвращает этим реакцию восстановления его до спирта. Водород восстановленного НАД- Н2 в этом случае используется на восстановление фосфоглицеринового альдегида до глицерина (реакции 4 и 5).

Таким образом, при брожении сульфитированного виноградного сусла происходит накопление в виноматериалах глицерина и ацетальдегида в виде бисульфитного производного. Эту форму брожения называют глицеропировиноградным брожением. Третья форма брожения Нёйберга. При щелочной реакции среды ход брожения изменяется: половина молекул ацетальдегида окисляется до уксусной кислоты, другая — восстанавливается до этилового спирта. Происходит подкисление субстрата.

Количество энергии, которая высвобождается в процессе брожения значительно меньше, чем заложено возможностях глюкозы. (117 кДж  и 2 817 кДж соответственно). Дыхание сопровождается выделением энергии в 1 504 кДж. Анаэробиоз проходит с помощью обеспечения клетки доступом к кислороду, что позволяет ей не тратить излишнее количество веществ при данном процессе.

Угнетение брожения дыханием называется эффектом Пастера. Уменьшение уровня дыхания дрожжей и начало процесса брожения с помощью аэрации называется эффект Крэбтри.

Следует помнить, что при спиртовом брожении выделяются не только основные продукты – углекислый газ и этиловый спирт, но и побочные. Среди них можно выделить: молочная и лимонная кислоты, глицерин, уксусная кислота, янтарная кислота, диацетил, эфиры, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликолъ.

Вещество, из которого образовывается большинство вторичных продуктов брожения, называется ацетальдегид. Дозировка 400мг/дм3 позволяет ему угнетать брожение. Более высокие дозы могут сделать дрожжи полностью нежизнеспособными. Физиологической особенностью и потребностью дрожжей является способность превращать его в другие безвредные вещества, которые создают дополнительный привкус и цвет конечному продукту. Это будет полезно для приготовления более сложных и благородных напитков, например, вина.

Неизбежно выделение дрожжами веществ, вроде сульфгидрильных SH-соединений, например – глютатиона и цистеина. Они влияют на окслительно-восстановительные реакции, замедляя их действие. Количество подобных выделений зависит от вида и сорта дрожжей. Не стоит забывать и об условиях и формах брожения.

На спиртовом брожении основано приготовления большого количества алкогольных напитков – пиво, вино, шампанское. Производство медицинского этилового спирта, теста и глицерина также возможно благодаря спиртовому брожению.