Спиртовое брожение

Коническая колба, соединенная с водяным затвором. В установке осуществляется спиртовое брожение глюкозы дрожжами

Спиртово́е броже́ние — вид брожения, при котором углеводы, преимущественно глюкоза, преобразуются в молекулы этанола и углекислого газа. В подавляющем большинстве случаев спиртовое брожение осуществляют дрожжи. Кислород в данном процессе не нужен, а значит, спиртовое брожение — анаэробный процесс. Побочные продукты процесса ферментации включают тепло, углекислый газ, воду и спирт[1]. Известны модификации спиртового брожения, при котором вместо этанола или наряду с ним под действием определённых химических веществ дрожжи начинают производить глицерин. Спиртовое брожение имеет огромное промышленное значение, издревле используется человеком для получения разнообразных алкогольных напитков и в хлебопечении.

История изучения

Эдуард Бухнер

Долгое время химики, в числе которых Антуан Лавуазье, рассматривали брожение как химическую реакцию, к которой живые организмы не имеют никакого отношения. В 1837 году Шарль Каньяр де Ла-Тур, Теодор Шванн и Фридрих Кютцинг независимо друг от друга опубликовали работы, в которых показали, что дрожжи, веками использовавшиеся в пивоварении и виноделии, — это живые организмы, способные размножаться посредством почкования[2]. Шванн вскипятил виноградный сок, убив тем самым дрожжи, и показал, что брожение могло начаться вновь лишь после добавления новых дрожжей. Однако и после этих исследований многие химики продолжали отрицать роль живых организмов в брожении[3]. Ситуация изменилась, когда Луи Пастер в 1850—1860-х годах повторил эксперименты Шванна и показал, что брожение осуществляют живые организмы. Хотя Пастер убедительно доказал, что брожение осуществляют микроорганизмы, что именно в них отвечает за этот процесс, оставалось неизвестным. Многие учёные, включая Пастера, безуспешно пытались выделить из дрожжей компоненты, катализирующие реакции брожения. Наконец, в 1887 году немецкий химик Эдуард Бухнер вырастил дрожжи, получил из них экстракт и обнаружил, что эта «мёртвая» жидкость способна сбраживать сахара, подобно живым дрожжам, с образованием этанола и углекислого газа. Результаты Бухнера положили начало науке биохимии. Благодаря его открытиям стало понятно, что брожение осуществляют особые белки — ферменты, содержащиеся в микроорганизмах[4]. За свои результаты Бухнер в 1907 году получил Нобелевскую премию по химии[5].

Микроорганизмы

Спиртовое брожение в 90 % случаев осуществляют дрожжи родов Saccharomyces и Schizosaccharomyces^[англ.]. Также к спиртовому брожению способны дрожжи рода Kloeckera^[англ.], вызывающие спонтанное брожение виноградного сока, а также представители родов Torula^[англ.] и Eudomyces[6]. Несмотря на то, что этанол, образуемый при спиртовом брожении, влияет на клеточные мембраны, дрожжи выдерживают до 9—12 % этанола по объёму, а дрожжи расы sake, используемые при приготовлении рисовой водки сакэ, выдерживают до 18 % этанола. Кроме того, дрожжи не могут долго существовать в анаэробных условиях, поскольку одна из стадий биосинтеза фосфолипидов в их клетках требует присутствия кислорода, поэтому в анаэробных условиях дрожжевая клетка способна поделиться не более шести раз[7].

В присутствии кислорода дрожжи переключаются со спиртового брожения на существенно более выгодное энергетически аэробное дыхание, при котором они образуют в 20 раз больше биомассы. Этот переход получил название эффект Пастера[8].

Спиртовое брожение обнаружено лишь у единичных прокариот из-за редкой встречаемости у них фермента пируватдекарбоксилазы^[англ.], необходимого для этого вида брожения. Строго анаэробная грамположительная бактерия Sarcina ventriculi способна к спиртовому брожению, подобно дрожжам. Бактерия Zymonomonas mobilis, хотя и имеет пируватдекарбоксилазу, спиртовое брожение не проводит, а сбраживает сахара по пути Энтнера — Дудорова. Эта бактерия используется для сбраживания сока агавы в ходе приготовления текилы[9]. Ещё одна бактерия, имеющая пируватдекарбоксилазу, — Erwinia amylovora — способна к спиртовому брожению, наряду с другими типами брожения[10]. Некоторые клостридии и энтеробактерии, а также гетероферментативная молочнокислая бактерия Leuconostoc mesenteroides^[англ.] проводят брожения, в которых этанол является одним из продуктов[9].

Механизм

Общая схема спиртового брожения

Как отмечалось выше, почти всегда спиртовое брожение осуществляют дрожжи. Они сбраживают моно- и дисахариды с образованием этанола и углекислого газа. Окислительный этап спиртового брожения идёт по пути гликолиза с образованием из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата, двух молекул АТФ и двух молекул NADH + H^+. На восстановительном этапе фермент пируватдекарбоксилаза, коферментом которого служит тиаминпирофосфат, в отсутствие кислорода превращает пируват в ацетальдегид с высвобождением молекулы углекислого газа. Далее фермент алкогольдегидрогеназа, используя два NADH + H^+, образовавшихся в окислительном этапе, восстанавливает две молекулы ацетальдегида до этанола. Общее уравнение реакции спиртового брожения: глюкоза + 2 АДФ + 2 P_i → 2 этанол + 2 CO₂ + 2 АТФ[11].

Модификации

Карл Нейберг показал, что при добавлении к бродящим дрожжам особых химических веществ состав продуктов брожения меняется. Например, если добавить бисульфит натрия NaHSO₃, то он будет связывать ацетальдегид, и основным продуктом брожения станет не этанол, а глицерин. Связанный с бисульфитом ацетальдегид не может служить акцептором водорода, и эту роль принимает на себя дигидроксиацетонфосфат, который восстанавливается, дефосфорилируется^[англ.] и превращается в глицерин. Общее уравнение брожения становится следующим: глюкоза + бисульфит натрия → глицерин + ацетальдегидсульфит + CO₂. Эта модификация используется в биотехнологии для получения глицерина и известна как II форма брожения по Нейбергу (нормальное спиртовое брожение Нейберг считал I формой брожения)[12].

Добавление к бродящим дрожжам NaHCO₃ или Na₂HPO₄ изменяет pH среды, из-за чего ацетальдегид в реакции дисмутации превращается в этанол и ацетат, а дигидроксиацетонфосфат акцептирует водород, образуя глицерин. Эта модификация известна как III форма брожения по Нейбергу, её суммарное уравнение: 2 глюкоза + H₂O → этанол + ацетат + 2 глицерин + 2CO₂[12].

Брожение пива в пивоварне

Использование человеком

Человечество использовало процесс ферментации этанола на протяжении тысячелетий. Люди использовали брожение, в частности, в пивоварении, со времён неолита около 7 тысяч лет до н. э. в Китае[13]. С помощью спиртового брожения и разнообразных субстратов для него получают разнообразные алкогольные напитки: пиво, вино, игристые вина, крепкие напитки[14].

Древние американцы были известны своим производством медовухи, которую производили путем ферментации меда и воды. Тем временем, однако, мед отошел на второй план по сравнению с другими продуктами питания, чаще всего зерном (для пива и спиртных напитков) и виноградом (для вина). К дополнительным базовым продуктам относятся другие фрукты, такие как ягоды, яблоки и так далее, рис (для саке) и не только[1].

Микроорганизмы-бродильщики используются в пищевой промышленности в хлебопечении, получении некоторых продуктов азиатской кухни[15].

Примечания

1. How Do Grapes and Grains Become Booze? Find Out About Fermentation. (англ.). Liquor.com. Дата обращения: 7 сентября 2022. Архивировано 7 сентября 2022 года.
2. Shurtleff William, Aoyagi Akiko. A Brief History of Fermentation, East and West  (неопр.). Soyinfo Center. Soyfoods Center, Lafayette, California. Дата обращения: 30 апреля 2018. Архивировано 7 июня 2020 года.
3. Tobin Allan, Dusheck Jennie. Asking about life (неопр.). — 3rd. — Pacific Grove, Calif.: Brooks/Cole^[англ.], 2005. — С. 108—109. — ISBN 9780534406530.
4. Cornish-Bowden, Athel. New beer in an old bottle. Eduard Buchner and the Growth of Biochemical Knowledge. — Universitat de Valencia, 1997. — ISBN 978-84-370-3328-0.
5. Lagerkvist, Ulf. The enigma of ferment: from the philosopher's stone to the first biochemical Nobel prize. — World Scientific Publishers, 2005. — P. 7. — ISBN 978-981-256-421-4.
6. Куранова, Купатадзе, 2017, с. 23.
7. Нетрусов, Котова, 2012, с. 131—132.
8. Нетрусов, Котова, 2012, с. 130.
9. Нетрусов, Котова, 2012, с. 132.
10. Куранова, Купатадзе, 2017, с. 25.
11. Куранова, Купатадзе, 2017, с. 23—24.
12. Нетрусов, Котова, 2012, с. 130—131.
13. McGovern P. E., Zhang J., Tang J., Zhang Z., Hall G. R., Moreau R. A., Nuñez A., Butrym E. D., Richards M. P., Wang C. S., Cheng G., Zhao Z., Wang C. Fermented beverages of pre- and proto-historic China. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 2004. — 21 December (vol. 101, no. 51). — P. 17593—17598. — doi:10.1073/pnas.0407921102. — PMID 15590771. [исправить]
14. Шмид, 2015, с. 12—14.
15. Шмид, 2015, с. 16—18.

Литература

• Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.
• Куранова Н. Г., Купатадзе Г. А. Микробиология. Часть 2. Метаболизм прокариот. — М., 2017. — 100 с. — ISBN 978-5-906879-11-0.
• Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 324 с. — ISBN 978-5-94774-767-6.