Cтраница 1
Брожение сахара с образованием спирта представляет собой блестящий пример того, сколь тонко ферменты регулируют химические процессы.
Брожение Сахаров могут вызывать микроорганизмы, относящиеся, в основном, к одному из трех групп: дрожжевым грибам, бактериям или плесневым грибам. Брожению подвергаются моносахариды и, в основном, гексозы. Процесс брожения моносахаридов широко используется в технике для получения продуктов, применяемых в больших количествах в народном хозяйстве. Для переработки при помощи брожения сложных Сахаров (полисахаридов) их предварительно разлагают другими методами (гидролизом) до простых Сахаров.
Брожением сахара пользуются для приготовления другого напитка - пива. Здесь среду, благоприятную для жизнедеятель-ности вызывающих брожение дрожжей, приходится готовить искус-ственно. Исходным материалом служит ячмень. Ячменные зерна замачивают в чанах, наполненных водой, затем помещают в так называемые ростилъные тока, где их раскладывают в виде грядок. Ячменные зерна содержат крахмал, белок и минеральные соли (К, Са, Mg и РО4), еловой все, что нужно для брожения, кроме сахара. При прорастании ячменных зерен происходят изменения в зародышевом белке. Получается фермент пептаз, при дальнейшем прорастании диастаз, превращающий крахмал в сахар.
Процессы брожения Сахаров имеют большое значение в винокурении, силосовании кормов, квашении капусты и солении огурцов, при изготовлении кефира и кумыса, в маслоделии, хлебопечении и в ряде других случаев.
При брожении сахара образуется этиловый спирт и диоксид углерода; эта реакция может протекать только в присутствии дрожжей, которые, однако, не расходуются в процессе реакции.
Рассмотрим процесс брожения сахара.
Известно много видов брожения Сахаров. Брожению подвергаются сахара с числом углеродных атомов, кратным трем.
При получении глицерина брожением сахара или сахарной мелассы создаются специальные условия брожения, например, прибавкой нейтрального сульфита натрия.
Существуют и другие виды брожения сахара, как, например, лимонное, когда образуется лимонная кислота, ацетоновое, когда образуется ацетон, и другие. Процессы гниения и распад белковых веществ также вызываются жизнедеятельностью специальных гнилостных бактерий, и, наконец, инфекционные болезни, возникающие благодаря проникновению в кровь болезнетворных микробов, которые вызывают распад белковых веществ крови, также представляют специальные случаи брожения.
Возможны и другие виды брожения Сахаров, в результате которых получаются различные продукты. Например, глицериновое, ацетоно-бутаноловое, ацетоно-этаноловое, бутаноло-изопропаноловое и другие виды брожения, которые часто рассматриваются как комбинации первых трех приведенных видов брожения.
При получении этилового спирта брожением Сахаров одновременно образуются спирты, называемые спиртами сивушного масла, содержащие 4 - 9 (и более) атомов углерода. Для промышленности душистых веществ наибольший интерес из них представляют н-пропиловый, изобутиловый и изоамиловый спирты. Кроме того, в сивушном масле содержатся гексиловыи, гептиловыи, октиловыи, нониловый и другие спирты, которые выделяют фракционированной перегонкой.
Зимазы - ферменты, вызывающие брожение Сахаров.
Показал, что каждая стадия брожения сахара катализируется специфическим ферментом и что первая стадия заключается в том, что к молекуле сахара присоединяется фосфор-содержащая группа. Работа Хардена легла в основу открытия цикла Кребса, цепочки реакций метаболизма глюкозы.
Этиловый спирт может быть получен брожением сахара. Процесс проводят в колбе с газоотводной трубкой.
Левовращающая молочная кислота получается при брожении Сахаров под влиянием особого вида бактерий молочнокислого брожения. Эта кислота генетически связана с d - глицериновым альдегидом (стр.
XII. БУРНОЕ БРОЖЕНИЕ И УХОД ЗА НИМ
Бурное брожение продолжается от 10 до 100 дней в зависимости от того, какой крепости вино приготовляется. Чем более должно в вине содержаться спирта, тем дольше должно продолжаться бурное брожение, т. к. только во время его и происходит превращение дрожжевыми грибками сахара в спирт и углекислый газ. При этом в бурном брожении различают два периода: 1) собственно бурное брожение и 2) главное брожение.
При собственно бурном брожении, продолжающемся обычно 3-7 дней, сусло сильно пенится, пузырьки углекислого газа выделяются с такой быстротой, что проходят через бродильный шпунт сплошной струей и подсчитать их почти невозможно (в 1 мин., например, проходит по 150-200 пузырьков газа), в сусле слышно шипение или шум от выходящего газа, сусло сильно волнуется, вздувается, и пена заполняет все оставшееся в посуде над суслом свободное пространство, а если посуда чрезмерно налита суслом, то забивает трубку бродильного шпунта, выбивает пробку и может даже разорвать посуду. Это первое брожение называется также иногда верхним, так как дрожжи в это время работают главным образом в верхних частях сусла.
Затем сусло успокаивается, выделение пузырьков газа уменьшается, пена начинает оседать на дно посуды; это значит, что бурное брожение закончилось, и началось главное брожение, называемое также нижним, которое и продолжается до тех пор, пока дрожжевые грибки не переработают в спирт весь сахар или не изготовят столько спирта, что жизнь их будет вынуждена прекратиться. При этом главном брожении сусло уже не сильно пенится, пузырьки газа с каждым днем выделяются все реже и реже и, наконец, доходит до того, что в 1 мин. выделяется лишь 1 пузырек газа. К этому времени на дне посуды скапливается довольно объемистый осадок, состоящий главным образом из дрожжей, само же молодое вино становится хотя еще и мутноватым, но гораздо более прозрачным, чем было до того сусло. Тогда считают, что бурное (и главное) брожение закончилось и можно приступить к первой переливке вина.
Во время бурного брожения уход за бродящим суслом состоит в следующих работах:
Взмучивание дрожжевого осадка производится для лучшего разложения всего заданного суслу сахара. Дело в том, что хотя бродящее вино мутно от плавающих в нем дрожжей, поднимаемых и увлекаемых со дна посуды выделяющимися пузырьками газа, но не все дрожжи находятся в таком плавающем состоянии. Большая часть их покоится на дне посуды, нагроможденные тысячами слоев друг над другом.
Верхние слои, находясь в соседстве и с сахаром, и с питательными веществами, могут беспрепятственно и размножаться, и работать. Для нижних же слоев это несравненно труднее. И чем меньше остается сахара в сусле, чем легче оно ввиду этого, тем полнее оседают дрожжи, тем плотнее их слой и тем больше затруднена работа нижних слоев их. Поэтому-то часто одним лучшим распределением дрожжей в бродящем вине удается весьма заметно повысить их работоспособность. С этой целью по временам во время главного брожения и в особенности во второй половине его производят несколько раз взмучивание дрожжевого осадка, взбалтывая его чистой палкой или продувая через осадок струю воздуха из какого-либо меха.
Проветривание бродящего сусла производится потому, что хотя дрожжевые грибки спиртового брожения могут работать и в отсутствии воздуха, но кратковременный доступ воздуха значительно увеличивает их работоспособность, оживляет их силы и способность размножения. Поэтому все туго бродящие вина, в особенности, если брожение начинает сильно замедляться, полезно во второй половине главного брожения, когда уже образовалось 7-8 весов %, спирта, проветривать вдуванием туда воздуха при помощи меха или выливанием бродящего вина со всеми дрожжами в чистую кадку или иную посуду, где и оставляют на воздухе на 3-4 часа, что дает возможность дрожжам освежиться.
Добавление сахара производится в том случае, если желают приготовить вино наибольшей крепости, т. е. содержащее до 16 вес. процентов спирта. В этом случае, как уже указано в главе VIII , при приготовлении сусла не весь сахар кладется сразу, а лишь 1/6-1/5 часть его (так чтобы сахаристость сусла была не выше 10-15 %), остальной же сахар равными частями прибавляют к бродящему уже суслу через каждые 5-7 дней. Хотя при таком способе бурное брожение продолжается очень долго (до 100 дней), но зато дрожжевые грибки сильно развиваются и смогут переработать весь сахар и приготовить из него наибольшее количество спирта.
Если же мы сразу зададим в сусло весь необходимый сахар, т. е. для образования 16 вес. процентов спирта - 32 вес. процента сахара, то грибкам будет очень трудно его переработать полностью, и вино получится крепостью всего в 11-12 вес. %, а часть сахара останется не перебродившей. При каждой прибавке сахара (сахарного песка) следует сусло хорошо перемешивать.
Наблюдение за температурой помещения и бродящего сусла , как уже сказано в предыдущей главе, весьма важно для правильного хода брожения. Наиболее благоприятной для бурного брожения температурой помещения является 18-20°, без резких изменений и колебаний. И за этим нужно старательно наблюдать, если хотят приготовить хорошее вино. Точно так же важно, чтобы и температура сусла не поднималась выше 25°, что однако, легко может произойти во время бурного брожения. Дело в том, что как указано в главе II, при превращении сахара в спирт дрожжевые грибки выделяют часть теплоты. Благодаря этому, сусло само нагревается и тем сильнее, чем энергичнее идет бурное брожение. Между тем, при температуре выше 25° дрожжевые грибки уже начинают страдать и жизнедеятельность их замедляется, поэтому виноделу следует заботиться о том, чтобы бродящее сусло не слишком сильно нагревалось.
Если же наблюдается чрезмерное нагревание сусла, то следует его охладить, или прибавив в сусло небольшие кусочки льда, или окутывая посуду с бродящим суслом мокрым холстом и выставляя на сквозняк, пока не охладится. Такое же охлаждение сусла можно произвести и при проветривании его на сквозняке или в холодную погоду. Однако, не следует и чрезмерно охлаждать, так как это тоже может вредно повлиять на брожение.
Проверка хода брожения производится при окончании главного брожения или если брожение почему-либо прекратилось. В этих случаях следует испробовать молодое вино на вкус, дабы узнать много ли в нем осталось сладости и не будет ли прекращение брожения преждевременным. Если брожение прекратилось, а сладость вина еще значительна, то это могло произойти либо от неправильного подслащивания сусла, либо от несоответствующей температуры помещения или сусла, либо от недостаточной бродильной способности дрожжей, или от неправильного их применения. Всему этому может помочь проветривание вина.
Если же по прекращении брожения сладость или отсутствует или чувствуется мало, а выступает лишь приятная кислотность вина, то винодел может быть доволен, ибо достигнуто уже самое главное - значительнейшая часть сахара переброжена, чем обеспечены и крепость, и прочность молодого вина.
Когда главное брожение дошло до возможного предела, дрожжи лишились сахара или дальнейшей возможности его усваивать и перебраживать, на дне посуды осел слой дрожжевого осадка и молодое вино стало почти прозрачным, то приступают к 1-ой переливке вина.
Жизнь микробов возможна и без доступа кислорода воздуха. Энергия, необходимая для жизнедеятельности организма, в этих условиях образуется в результате процессов брожения. Наиболее распространены виды брожений, в процессе которых происходит распад органических веществ (преимущественно Сахаров) под влиянием микроорганизмов, представляющий совокупность окислительно-восстановительных реакций. Брожения никогда не приводят к полному окислению органических веществ. Многие характерные формы брожения протекают беэ участия кислорода воздуха - анаэробно .
Поскольку свободный кислород, имеющийся на нашей планете, образовался в результате фотосинтеза, возникшего на более поздних этапах развития жизни на Земле, совершенно очевидно, что анаэробный способ извлечения энергии - брожение - более древний, чем процесс дыхания.
Брожение известно людям с незапамятных времен. Тысячелетиями человек пользовался спиртовым брожением при изготовлении вина. Еще раньше было известно о молочнокислом брожении. Люди употребляли в пищу молочные продукты, готовили сыры. При этом они не подозревали, что эти процессы происходят с помощью микроорганизмов. Термин «брожение» был введен голландским алхимиком Ван Хельмонтом в XVII в. для процессов, идущих с выделением газов (fermentatio - кипение). Затем в XIX в. основоположник современной микробиологии Луи Пастер показал, что брожение является результатом жизнедеятельности микробов, и установил, что различные брожения вызываются разными микроорганизмами.
Спиртовое брожение - это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.
Сбраживание сахаров известно с глубокой древности. В течение столетий пивовары и виноделы использовали способность некоторых дрожжей вызывать спиртовое брожение, в результате которого сахара превращаются в спирт.
Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы. В различных странах для получения спирта используют различные микроорганизмы. Например, в Европе используют в основном дрожжи из рода Saccharomyces, в Южной Америке - бактерии Pseudomonas lindneri, в Азии - мукоровые грибы.
Сбраживаться могут лишь углеводы, и притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).
Схематично спиртовое брожение может быть изображено уравнением
Брожение " border="0">
Процесс спиртового брожения - многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пировиноградной кислоты происходят так же, как и при дыхании. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно). Далее пути дыхания и брожения расходятся.
При спиртовом брожении пировиноградная кислота превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Эти реакции протекают в две стадии. Сначала от пирувата отщепляется СО2 и образуется уксусный альдегид; затем уксусный альдегид присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт. Все реакции катализируются ферментами. В восстановлении альдегида участвует НАД-H2.
Обычно при спиртовом брожении, кроме главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь которых называется сивушным маслом - соединение, от которого зависит специфический аромат вина. Образование побочных веществ связано с тем, что превращение глюкозы частично идет другими путями.
Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.
Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении конечным продуктом является молочная кислота.
С этим брожением люди знакомы издавна. Сквашивание молока, приготовление простокваши, кефира, квашение овощей - результаты молочнокислого сбраживания сахара молока или углеводов растений. Этот вид брожения осуществляется с помощью молочнокислых бактерий, которые подразделяются на две большие группы (в зависимости от характера брожения): гомоферментативные , образующие из сахара только молочную кислоту, и гетероферментативные , образующие, кроме молочной кислоты, спирт, уксусную кислоту, углекислый газ.
Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacillus и стрептококки. Они могут сбраживать различные сахара с 6-ю (гексозы) или 5-ю (пентозы) углеродными атомами, некоторые кислоты. Однако круг сбраживаемых ими продуктов ограничен.
У молочнокислых бактерий нет ферментативного аппарата для использования кислорода воздуха. Кислород для них или безразличен, или угнетает развитие.
Молочнокислое брожение может быть описано уравнением
Процесс образования молочной кислоты чрезвычайно близок к процессу спиртового брожения. Глюкоза также расщепляется до пировиноградной кислоты. Но затем ее декарбоксилирование (отщепление СО2), как при спиртовом брожении, не происходит, так как молочнокислые бактерии лишены соответствующих ферментов. У них активны дегидрогеназы (НАД). Поэтому пировиноградная кислота сама (а не уксусный альдегид, как при спиртовом брожении) принимает водород от восстановленной формы НАД и превращается в молочную кислоту. В процессе молочнокислого брожения бактерии получают энергию, необходимую им для развития в анаэробных условиях, где использование других источников энергии затруднено.
Гетероферментативное молочнокислое брожение - процесс более сложный, чем гомоферментативное: сбраживание углеводов приводит к образованию ряда соединений, накапливающихся в зависимости от условий процесса брожения. Одни бактерии образуют, помимо молочной кислоты, этиловый спирт и углекислоту, другие - уксусную кислоту; некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии могут образовывать различные спирты, глицерин, маннит.
Гетероферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacterium и рода Streptococcus. Химизм этих брожений изучен не так хорошо, как спиртового или гомоферментативного молочнокислого брожения.
Гетероферментативные бактерии образуют молочную кислоту иным путем. Последняя стадия - восстановление пировиноградной кислоты до молочной - та же самая, что и в случае гомоферментативного брожения. Но сама пировиноградная кислота образуется при ином расщеплении глюкозы - гексозомонофосфатном. Выход энергии гораздо меньше, чем при спиртовом брожении.
Гетероферментативные бактерии сбраживают ограниченное число веществ: некоторые гексозы (причем определенного строения), пентозы, сахароспирты и кислоты.
Молочнокислое брожение широко используется при выработке молочных продуктов: простокваши, ацидофилина, творога, сметаны. При производстве кефира, кумыса наряду с молочнокислым брожением, вызываемым бактериями, имеет место и спиртовое брожение, вызываемое дрожжами. Молочнокислое брожение происходит на первом этапе изготовления сыра, затем молочнокислые бактерии сменяются пропионово кислыми.
Молочнокислые бактерии нашли широкое применение при консервировании плодов и овощей, в силосовании кормов. Чистое молочнокислое брожение применяется для получения молочной кислоты в промышленных масштабах.
Молочная кислота находит широкое применение в производстве кож, красильном деле, при выработке стиральных порошков, изготовлении пластмасс, в фармацевтической промышленности и во многих других отраслях. Молочная кислота также нужна в кондитерской промышленности и для приготовления безалкогольных напитков.
Маслянокислое брожение. Превращение углеводов с образованием масляной кислоты было известно давно. Природа маслянокислого брожения как результат жизнедеятельности микроорганизмов была установлена Луи Пастером в 60-х годах прошлого века.
Возбудителями брожения являются маслянокислые бактерии, получающие энергию для жизнедеятельности путем сбраживания углеводов. Они могут сбраживать разнообразные вещества - углеводы, спирты и кислоты, способны разлагать и сбраживать даже высокомолекулярные углеводы - крахмал, гликоген, декстрины.
Маслянокислое брожение в общем виде описывается уравнением
При этом брожении накапливаются различные побочные продукты. Наряду с масляной кислотой, углекислым газом и водородом образуются этиловый спирт, молочная и уксусная кислоты.
Некоторые маслянокислые бактерии, кроме того, образуют ацетон, бутанол и изопропиловый спирт.
Брожение начинается с процесса фосфорилирования глюкозы и далее идет по гликолитическому пути до стадии образования пировиноградной кислоты. Затем образуется уксусная кислота, которая активируется ферментом. После чего при конденсации (соединении) из двууглеродного соединения получается четырехуглеродная масляная кислота. Таким образом, при маслянокислом брожений происходит не только разложение веществ, но и синтез.
По данным В. Н. Шапошникова, в маслянокислом брожении различаются две фазы. В первой параллельно с увеличением биомассы накапливается уксусная кислота, а масляная кислота образуется преимущественно во второй фазе, когда синтез веществ тела замедляется.
Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокислых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества.
Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое и маслянокислое брожения являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют собой комбинацию этих трех типов. Так, например, пропионовокислое брожение, играющее важную роль при производстве сыров и сопровождающееся накоплением пропионовой и уксусной кислот и углекислого газа, может рассматриваться как комбинация гомоферментативного молочнокислого и спиртового брожений. Брожения клетчатки и пектиновых веществ являются разновидностями маслянокислого брожения.
Итак, три основных типа брожения органически связаны между собой - начальные пути разложения углеводов у них одинаковы.
Процессы дыхания и брожения являются основными источниками энергии, необходимой микроорганизмам для нормальной жизнедеятельности, осуществления процессов синтеза важнейших органических соединений.
Какой газ выделяется при брожении браги, Вы узнаете из этой статьи.
Что такое брожение?
Брожение являет собой процесс разложения веществ органического типа, как правило, углеводов, на простые соединения под воздействием микроорганизмов или ферментов, выделяемых ими. При этом освобождаемая энергия расходуется ими для собственной жизнедеятельности, а вот продукты брожения необходимы для биосинтеза. Стандартными примерами побочных продуктов горения можно назвать винный спирт, водород молочная кислота и углекислый газ.
Выделяют несколько типов данного процесса:
- Спиртовое . Используется для производства пива, вина, этилового спирта.
- Молочнокислое . Используется для производства кваса, кефира, для квашения овощей, силосования кормов.
- Маслянокислое . Такой тип брожения наблюдается в заболоченных местах и испорченных консервах.
- Метановое .
Какой газ выделяется при брожении вина?
Поскольку при брожении вина используется спиртовое брожение, то нужно учесть несколько нюансов. Данный напиток образовывается путем «контактного» действия дрожжей и некоторых плесневых грибов. В результате процесса микроорганизмы расщепляют сахар, который превращается в главный продукт – этиловый спирт. При брожении вина выделяется энергия и углекислый газ. Аминокислоты, которые являются частью дрожжей, и есть тем звеном, провоцирующее выделение газа через процесс их разложения.
Также, кроме газа, в малых количествах образовываются и другие побочные продукты. К ним относят ацетальдегид, уксусную кислоту, глицерин, уксусный альдегид и высшие спирты — изобутиловый, бутиловый, изоамиловый, амиловый. Высшие спирты другими словами называются сивушными маслами.
Надеемся, что из этой статьи Вы узнали, какой газ выделяется в процессе брожения вина.
