Бродіння
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Бродіння

Бродіння, процес анаеробного розщеплювання органічних речовин, переважно вуглеводів, що відбувається під впливом мікроорганізмів або виділених з них ферментів . У ході Б. в результаті зв'язаних окислювально-відновних реакцій звільняється енергія, необхідна для життєдіяльності мікроорганізмів, і утворюються хімічні сполуки, які мікроорганізми використовують для біосинтезу амінокислот, білків, органічних кислот, жирів і ін. компонентів тіла. Одночасно накопичуються кінцеві продукти Б. Залежно від їх характеру розрізняють Би. спиртне, молочнокислоє, маслянокислоє, пропіоновокисле, ацетоно-бутилове, ацетоно-етилове і ін. види. Характер Би., його інтенсивність, кількісні співвідношення кінцевих продуктів, а також напрям Би. залежать від особливостей його збудника і умов, при яких Би. протікає (ph, аерація субстрат і ін.).

загрузка...

  Спиртне Би. У 1836 французький учений Каньяр де ла Тур встановив, що спиртне Б. пов'язано із зростанням і розмноженням дріжджів. Хімічне рівняння спиртного Б.: C 6 H 12 O 6 ® 2c 2 H 5 ВІН + 2co 2 було дане французькими хіміками А. Лавуазье (1789) і Ж. Гей-Люссаком (1815). Л. Пастер прийшов до виводу (1857), що спиртне Би. можуть викликати лише живі дріжджі в анаеробних умовах («бродіння — це життя без повітря»). На противагу цьому німецький учений Ю. Лібіх наполегливо наполягав на тому, що Б. відбувається поза живою клітиною. На можливість безклітинного спиртного Б. вперше (1871) вказала російський лікарка-біохімік М. М. Манассєїна. Німецький хімік Е. Бухнер в 1897, віджавши під великим тиском дріжджі, розтерті з кварцевим піском, отримав безклітинний сік, що зброджує цукор з утворенням спирту і Co 2 . При нагріванні до 50°c і вище за сок втрачав бродильні властивості. Все це вказувало на ферментативну природу активного початку, що міститься в дріжджовому соку. Російський хімік Л. А. Іванов виявив (1905), що додані до дріжджового соку фосфати у декілька разів підвищують швидкість Б. Ісследованія 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 спиртного Б.

  Надалі багато дослідників детально вивчили ферментативну природу і механізм спиртного Б. (див. схему). Перша реакція перетворення глюкози при спиртному Б. — приєднання до глюкози під впливом ферменту глюкокинази залишку фосфорної кислоти від аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ, див.(дивися) Аденозінфосфорниє кислоти ). При цьому утворюються аденозіндіфосфорная кислота (АДФ) і глюкозо-6-фосфорная кислотата. Остання під дією ферменту глюкозофосфаті-зомерази перетворюється на фруктозо-6-фосфорную кислоту, яка, отримуючи від нової молекули АТФ (за участю ферменту фосфофруктокинази) ще один залишок фосфорної кислоти, перетворюється на фруктозо-1,6-дифосфорную кислоту. (Ета і наступна реакції, позначені зустрічними стрілками, обратіми, тобто їх напрям залежить від умов — концентрації ферменту, ph і ін.) Під впливом ферменту кетозо-1-фосфатальдолазы фруктозо-1,6-дифосфорная кислота розщеплюється на гліцерінальдегидфосфорную і діоксиацетонфосфорную кислотах які можуть перетворюватися один на одного під дією ферменту тріозофосфатізомерази. Гліцерінальдегидфосфорная кислота, приєднуючи молекулу неорганічної фосфорної кислоти і окислюючись під дією ферменту дегідрогенази фосфогліцерінальдегида, активною групою якого в дріжджів є никотінамідаденіндінуклеотід (НАД), перетворюється на 1,3-дифосфогліцеринову кислоту. Молекула діоксиацетонфосфорной кислоти під дією тріозофосфатізомерази дає другу молекулу гліцерінальдегидфосфорной кислоти, що також піддається окисленню до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти; остання, віддаючи АДФ (під дією ферменту фосфогліцераткинази) один залишок фосфорної кислоти, перетворюється на З-фосфогліцеріновую кислоту, яка під дією ферменту фосфогліцеро-мутазі перетворюється на 2-фосфогліцеріновую кислоту, а вона під впливом ферменту фосфопіруват-гидратази — у фосфоєнол-піровіноградну кислоту. Остання за участю ферменту піруваткінази передає залишок фосфорної кислоти молекулі АДФ, внаслідок чого утворюється молекула АТФ і молекула енолпіровіноградной кислоти, яка вельми нестійка і переходить в піровиноградну кислоту. Ця кислота за участю наявного в дріжджах ферменту піруватдекарбоксилази розщеплюється на оцетовий альдегід і двоокис вуглецю. Оцетовий альдегід, реагуючи з тією, що утворилася при окисленні гліцерінальдегидфосфорной кислоти відновленою формою никотінамідаденіндінуклеотіда (НАД-Н), за участю ферменту алкогольдегидрогенази перетворюється на етиловий спирт. Сумарно рівняння спиртного Б. може бути представлено в наступному вигляді:

C 6 H 12 O 6 + 2h 3 Po 4 + 2АДФ ® 2ch 3 Ch 2 ВІН + 2co 2 + 2АТФ.

  Т. о., при зброджуванні 1 моля глюкози утворюються 2 благаючи етилового спирту, 2 благаючи Co 2 , а також в результаті фосфорилування 2 мілі АДФ утворюються 2 благаючи АТФ. Термодинамічні розрахунки показують, що при спиртному Б. перетворення 1 моля глюкози може супроводитися зменшенням вільної енергії приблизно на 210 кдж (50 000 кал ), т. е . енергія, закумульована в 1 молі етилового спирту, на 210 кдж (50 000 кал ) менше енергії 1 моля глюкози. При утворенні 1 благаючи АТФ (макроергічних — багатих енергією фосфатних з'єднань) використовується 42 кдж (10 000 кал ). Отже, значна частина енергії, що звільняється при спиртному Б., запасається у вигляді АТФ, що забезпечує всілякі енергетичні потреби дріжджових кліток. Таке ж біологічне значення має процес Би. і в ін. мікроорганізмів. При повному згоранні 1 моля глюкози (з утворенням Co 2 і H 2 O) зміна вільній енергії досягає 2,87 Мдж (686 000 кал ). Інакше кажучи, дріжджова клітка використовує лише 7% енергій глюкози. Це показує малу ефективність анаеробних процесів в порівнянні з процесами, що йдуть у присутності кисню. За наявності кисню спиртне Б. пригноблюється або припиняється і дріжджі отримують енергію для життєдіяльності в процесі дихання. Спостерігається тісний зв'язок між Би. і диханням мікроорганізмів, рослин і тварин. Ферменти, що беруть участь в спиртному Б., є також в тканинах тварин і рослин. У багатьох випадках перші етапи розщеплювання цукрів, аж до утворення піровиноградної кислоти, — загальні для Б. і дихання. Більше значення процес анаеробного розпаду глюкози має і при скороченні м'язів (див. Гліколіз ), перші етапи цього процесу також схожі з початковими реакціями спиртного Б.

  Зброджування вуглеводів (глюкози, ферментативного гідролізату крохмалю, кислотного гідролізату деревини) використовується в багатьох галузях промисловості: для здобуття етилового спирту, гліцерину і ін. технічних і харчових продуктів. На спиртному Б. засновані приготування тесту в хлібопекарській промисловості, виноробство і пивоваріння.

  Молочнокислоє Б. Молочнокислі бактерії підрозділяють на 2 групи — гомоферментатівниє і гетероферментатівниє. Гомоферментатівниє бактерії (наприклад, Lactobacillus delbrückii) розщеплюють моносахариди з утворенням двох молекул молочної кислоти відповідно до сумарного рівняння:

C 6 H 12 O 6 = 2ch 3 Choh·cooh.

  Гетероферментатівниє бактерії (наприклад, Bacterium lactis aerogenes) ведуть зброджування з освітою молочної кислоти, оцетової кислоти, етилового спирту і Co 2 , а також утворюють невелика кількість ароматичних. речовин — діацетилу, ефірів і так далі

  При молочнокислом Би. перетворення вуглеводів, особливо на перших етапах, близько до реакцій спиртного Б., за винятком декарбоксилювання піровиноградної кислоти, яка відновлюється до молочної кислоти за рахунок водню, що отримується від НАД-Н. Гомоферментатівноє молочнокислоє Б. використовується для здобуття молочної кислоти, при виготовленні різних кислих молочних продуктів, хліби і в силосуванні кормів в сільському господарстві. Гетероферментатівноє молочнокислоє Б. відбувається при консервації різних плодів і овочів шляхом квашення.

   Маслянокислоє Би. Зброджування вуглеводів з переважним утворенням масляної кислоти виробляють багато анаеробних бактерій, що відносяться до роду Clostridium. Перші етапи розщеплювання вуглеводів при маслянокислом Би. аналогічні соответстветственним етапам спиртного Б., аж до утворення піровиноградної кислоти, з якої при маслянокислом Би. утворюється ацетил-кофермент A (Ch 3 Co-koa). Ацетіл-koa може служити попередником масляної кислоти, піддававшись наступним перетворенням:

  Маслянокислоє Би. застосовувалося для здобуття масляної кислоти з крохмалю.

  ацетоно-бутилове Б. бактерії Clostridium acetobutylicum зброджують вуглеводи з прєїм.(переважно) утворенням бутилового спирту (Ch 3 Ch 2 Ch 2 Ch 2 ВІН) і ацетону (Ch 3 Coch 3 ). При цьому утворюються також в порівняно невеликих кількостях водень, Co 2 , оцетова, масляна кислоти, етиловий спирт. Перші етапи розщеплювання вуглеводів ті ж, що і при спиртному Б. Бутиловий спирт утворюється шляхом відновлення масляної кислоти:

Ch 3 Ch 2 Ch 2 COOH + 4h = Ch 3 Ch 2 Ch 2 Ch 2 ВІН + H 2 O.

  Ацетон же утворюється декарбоксилюванням ацетооцтової кислоти, яка виходить в результаті конденсації двох молекул оцетової кислоти. Дослідженнями В. Н. Шапошникова показано, що ацетоно-бутилове Б. (як і ряд ін., наприклад пропіоновокисле, маслянокислоє) у дослідах із зростаючою культурою відбувається в дві фази. У першу фазу Б. паралельно з наростанням біомаси накопичуються оцетова і масляна кислоти; у другу фазу утворюються переважно ацетон і бутиловий спирт. При ацетоно-бутиловому Б. зброджуються моносахариди, дісахаріди і полісахариди — крохмаль, інсулін, але не зброджуються клітковина і геміцелюлоза. Ацетоно-бутилове Б. використовувалося для промислового здобуття бутилового спирту і ацетону, вживаних в хімічній і лакофарбній промисловості (див. також Ацетоно-бутилове бродіння і Ацетоно-етилове бродіння ).

  Зброджування білків. Деякі бактерії з роду Clostridium — гнильні анаероби здатні зброджувати не лише вуглеводи, але і амінокислоти. Ці бактерії більш пристосовані до використання білків, що розщеплюються ними за допомогою протеолітичних ферментів до амінокислот, які потім піддаються Б. Процесс зброджування білків має значення в круговороті речовин в природі (див. Гниття ).

   Пропіоновокисле Би. Основні продукти пропіоновокислого Б., що викликається декількома видами бактерій з роду Propionibacterium, — пропіонова (Ch 3 Ch 2 ВІН) і оцетова кислоти і Co 2 . Хімізм пропіоновокислого Б. 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 Б. Пропіоновиє бактерії здатні фіксувати Co 2 , при цьому з піровиноградної к-т(комітет) и і Co 2 утворюється щавлевооцетова к-т(комітет) а, що перетворюється на янтарну к-т(комітет) в, з якої декарбоксилюванням утворюється пропіонова к-т(комітет) а(кислота):

  Існують Би., які супроводяться і відновними процесами. Прикладом такого «окислювального» Б. служить лимоннокисле Б. Многие плісневі гриби 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, виробляється мікробіологічним дорогою — глибинним і поверхневим культивуванням плісневих грибів.

  Інколи за традицією і чисто окислювальні процеси, здійснювані мікроорганізмами, називається Б. Прімерамі таких процесів можуть служити оцтовокисле і глюконовокислоє Б.

   Оцтовокисле Б. Бактерії, що відносяться до роду Acetobacter, окислюють 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 кетоглюконовую кислоти.

  Глюконовокислоє Б. здійснюють і деякі плісневі гриби, здатні окислювати альдегідну групу глюкози, перетворюючи останню на глюконову кислоту:

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

  Літ.: Шапошников Ст Н., Технічна мікробіологія, М., 1948; Преськот С., Дан С., Технічна мікробіологія, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1952; Пастер Л., Ізбр. праці, пер.(переведення) з франц.(французький), т. 1—2, М., 1960; Кретовіч Ст Л., Основи біохімії рослин, 4 видавництва, М., 1964; Фробішер М., Основи мікробіології, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Фердман Д. Л., біохімія, М., 1966; Работнова І. Л., Загальна мікробіологія, М., 1966.

  Ст І. Любімов.

Схема спиртного бродіння.