Спиртове бродіння

Серед всіх біохімічних процесів, пов'язаних з життєдіяльністю мік­роорганізмів, найбільш широке використання в народному госпо­дарстві має спиртове бродіння.

Спиртове бродіння – це процес розкладу цукру на спирт та вуглекислий газ в результаті життєдіяльності мікроорганізмів.

С₆Н₁₂О₆  2С₂Н₅ОН+2СО₂+27 ккал

Збудниками спиртового бродіння, як правило, є дріжджі, але деякі представники мукорових грибів і деякі бактерії (Sarcina ventviculi ) також можуть бути збудниками цього процесу.

У промисловості використовують тільки дріжджі Sach. ellip­soideus, що належать до сімейства Sacharomycetacea, рід Sacharo­myces. Дріжджі, які спеціально культивують з метою промислового вико­ристання, називають культурними.

Процес спиртового бродіння з давніх часів використовується для отримання вина, пива та інших напоїв. Однак люди, вико­ристо­вуючи цей процес, не знали, що збудниками його є живі організми.

Зв’язок спиртового бродіння з життєдіяльністю дріжджів виявив тільки у середині ХІХ століття визначний французький вчений Луї Пастер.

Дріжджовій клітині притаманний дуже складний комплекс ферментів. Розвиваючись в анаеробному середовищі, дріжджі отри­мують енергію для життєдіяльності за рахунок спиртового бродіння. "Бродіння – це життя без кисню", – писав Луї Пастер, тобто життя за рахунок анаеробних перетворень речовин. Пізніше виявлено, що спирт може утворюватись дріжджами також в присутності кисню повітря, тобто дріжджі відносяться до факультативних анаеробів.

Спиртове бродіння може проходити і без участі живих дріжджо­вих клітин, під впливом клітинного соку дріжджів. Клітинний сік отри­мували шляхом розтирання дріжджів з подрібненим гірським кришталем. Таким чином доведено, що процес спиртового бродіння викликається дріжджами тільки завдяки наявності в їхній клітині органічних каталізаторів – ферментів. Дослідження клітинного соку дріжджів, який отримували не тільки механічним руйнуванням клітин дріжджів, але й пресуванням, а також шляхом мацерації (на­стою­вання з водою висушених дріжджів) показали, що він може вик­ликати спиртове бродіння глюкози, фруктози, мальтози і сахарози. Сік втрачає здатність викликати процес спиртового бродіння при нагріванні його до 50˚ С. Активну основу клітинного соку, тобто фермент, що викликає процес спиртового бродіння, названо зимазою. Потім було виявлено, що зимаза – це не один фермент, а цілий їх комплекс.

Хімізм спиртового бродіння. Вище наведене сумарне рівняння спиртового бродіння. Насправді процес спиртового бродіння відбу­вається за складною схемою, з утворенням цілої низки побічних продуктів цього процесу.

Побічними продуктами спиртового бродіння є оцтова кислота, гліцерин, альдегіди, сивушні масла і деякі інші продукти.

Із вищенаведеного рівняння виходить, що із 1 г цукру можна отримати майже 0,5 г спирту і майже стільки ж вуглекислого газу. Але ще Пастером було доведено, що практичний вихід спирту нижчий, тому що частина цукру втрачається на утворення побічних продуктів (майже 5%) і живлення дріжджів (майже 1% ). Залежно від умов, в яких протікає процес спиртового бродіння, відношення окремих продуктів спиртового бродіння може змінюватися.

Біохімічні реакції в процесі спиртового бродіння проходять з участю різних ферментів, які знаходяться в кожній дріжджовій клітині. Умовно цей процес можна поділити на 7 стадій.

1 стадія: фосфорилювання гексоз. Ця стадія іде з участю ферменту фосфоферази, який сприяє перенесенню залишків фосфорної кислоти до гексози. Переносником фосфорної кислоти є аденілові кислоти. Останні вміщують фосфорну кислоту і входять до складу ядерних білків нуклеопротеїдів. Вони завжди є в дріжджових клітинах. Аденілові кислоти є донаторами та акцепторами фосфорних кислот у процесі спиртового бродіння, тобто вони то віддають фосфорну кислоту, то знов її зв’язують. Під час цього вони самі відповідно змінюються, переходячи під час віддачі фосфорної кислоти із аденезин-3-фосфату (АТФ) в аденезин-ди-фосфат (АДФ), а під час зв’язування фосфорної кислоти навпаки – із АДФ в АТФ. Кінцевим продуктом фосфорилювання, незалежно від того, який моносахарид піддається бродінню, є фруктозо-ди-фосфат.

ОН		СН2ОРО3Н2
|		|
H-C		C-OH
|		|
H-C-OH		OH-C-H
|		|
OH-C-H O	+2H3PO4 фосфофераза	H-C-OH О + 2Н2О
|		|
H-C-OH		H-C
|		|
H-C		CH2OPO3H2
|
CH2OH
Глюкоза		1,6-фруктозо-ди-фосфат

Одночасно АТФ АДФ.

ІІ стадія: розпад 1,6 фруктозодифосфату на 2 тріози. Ця реак­ція відбувається з участю ферменту альдолази. Одна із тріоз є фосфодиоксіацетоном, друга – фосфогліцериновим альдегідом.

СН2ОРО3Н2		CH2OPO3H2
|		|
C-OH		C=O	Фосфодиоксіацетон
|		|
H-C-OH		CH2OH
|		+
OH-C-H O	альдоза	O
|		//
H-C		C-H	Фосфогліцериновий
|		|	альдегід
CH2OPO3H2		CHOH
		|
		CH2OPO3H2

Фосфодиоксіацетону утворюється 95%, фосфогліцеринового альдегіду – 5%. Це співвідношення залишається завжди постійним, тобто рівновага є рухомою. Якщо витрачається одна із тріоз, то її не­стача поповнюється за рахунок ізомеризації іншої тріози. Реакцію ізоме­ризації тріоз каталізує фермент ізомераза.

ІІІ стадія: фосфодиоксіацетон і фосфогліцериновий альдегід вступають у взаємозв’язану окисно-відновну реакцію. При цьому фосфогліцериновий альдегід окиснюється в фосфогліцеринову кислоту, а фосфодиоксіацетон (кетон) відновлюється до гліцери­нофосфату.

Реакція каталізується ферментом козимазою.

O	CH2OPO3H2		C-OOH	CH2OPO3H2
//	|		|	|
C-H +	C=H +	H2O козимаза	CHOH +	CHOH
|	|		|	|
CHOH	CH2OH		CH2OPO3H2	CH2OH
|
CH2OPO3H2
Фосфогліце-риновий альдегід	Фосфоди-оксіацетон		Фосфогліце-ринова кислота	Фосфогліце-рин

ІV стадія: гліцеринфосфат дефосфорилюється. Під час цього фосфорна кислота поглинається аденозин-ди-фосфатом, який пере­ходить в аденил-3 фосфат, а гліцеринфосфат (фосфогліцерин) пере­ходить в гліцерин.

CH2OPO3H2		CH2OH
|		|
CHOH	+ АДФ енолаза	CHOH
|		|
CH2OH		CH2OH
Гліцеринфосфат		Гліцерин

Гліцерин є одним із кінцевих продуктів спиртового бродіння, тобто подальших перетворень гліцерин не зазнає.

Гліцерин як побічний продукт бродіння накопичується в не­знач­ній кількості (3% від кількості утвореного спирту). Він утво­рюється тільки на початку спиртового бродіння, доки в середовищі не накопичиться достатньої кількості оцтового альдегіду.

V стадія: фосфогліцеринова кислота перетворюється в пірови­ноградну кислоту, а фосфорна кислота поглинається аденизин­ди­фосфатом, який перетворюється в АТФ.

COOH		COOH
|	енолаза	|
C-HOH	+ АДФ фосфофераза АТФ +	C=O + H2O
|		|
CH2OPO3H2		CH3
Фосфогліцери-нова кислота		Піровиноград-на кислота

VІ стадія: піровиноградна кислота декарбоксилюється і пе­ре­т­во­рюється в оцтовий альдегід та вуглекислий газ. Реакція ката­лізується ферментом декарбоксилазою.

СООН		О
|		//
C=O	декарбоксилаза	СН3-С-Н + СО2
|
CH3
Піровиноградна кислота		Оцтовий альдегід

Вуглекислий газ, що утворюється під час цієї реакції, є одним із кінцевих продуктів бродіння. За наведеною вище схемою процес спиртового бродіння відбувається тільки на початковому етапі, доки в рідині, що бродить, не накопичиться достатньої кількості оцтового альдегіду. Коли ж з’являється оцтовий альдегід, він витісняє із взаємозв’язаної окисно-відновної реакції фосфодиоксіацетон (3 стадія) і стає на його місце. Окисно-відновна реакція відбувається тоді уже не між фосфодиоксіацетоном (кетоном) і фосфоглі­цериновим альдегідом, а між двома альдегідами, тому що між двома альдегідами цей процес проходить легше, ніж між кетоном і альдегідом. Таким чином, замість стадії ІІІ буде відбуватися наступна стадія (стадія VІІ ).