Спиртове бродіння - біохімічний процес ферментації, при якому цукру, такі як глюкоза і фруктоза, розкладаються під дією ферментів з виділенням енергії і утворенням етилового спирту і вуглекислого газу. Дозволяє отримати два моль АТФ на моль глюкози в анаеробних умовах. Загальне рівняння спиртового бродіння:
Цей метаболічний шлях характерний для багатьох грибів (дріжджів, дріжджоподібних та деяких цвілевих грибків), водоростей, найпростіших і деяких бактерій. Спиртове бродіння здавна використовується людиною в процесі хлібопечення (викликає «сходження» дріжджового тіста) і виготовлення алкогольних напоїв. Однією з нових областей застосування цього метаболічного шляху є виробництво етанолу як відновного і відносно недорого біопалива.
Реакції спиртового бродіння
Під час спиртового бродіння розщеплення глюкози починається гліколітичну шляхом (за винятком бактерії Zymomonas mobilis, в якій глюкоза метаболізується шляхом Ентнера-Дудорова). У гликолитических реакціях глюкоза розщеплюється і окислюється до двох молекул пірувату, відбувається субстратної фосфорилювання двох молекул АДФ з утворенням АТФ, а також відновлюються до НАДH дві молекули НАД +. При аеробних умовах НАДH знову окислюється віддаючи електрони через ряд посередників в молекулярний кисень, і тоді знову може бути використаний в процесі гліколізу. В анаеробних умовах регенерація НАД + відбувається в кінцевих етапах бродіння, під час яких акцептором електронів є сам піруват або його похідні: в разі спиртового бродіння - ацетальдегід.
Ацетальдегід утворюється з пірувату шляхом декарбоксилювання (відщеплення вуглекислого газу), яке каталізується піруватдекарбоксилази. Цей фермент вимагає присутності іонів Mg 2+ і містить ковалентно приєднаний кофермент тіамінпірофосфат.
Наступним кроком є відновлення ацетальдегіду до етилового спирту завдяки перенесенню гідрид іона з НАДH, утвореного в гліколізі. Реакція відбувається за участю ферменту алкогольдегідрогенази, що містить в активному центрі іон цинку, який поляризує карбонильную групу субстрату полегшуючи приєднання гідриду.
Отже кінцевими продуктами спиртового бродіння на одну молекулу глюкози є дві молекули етилового спирту, дві молекули CO 2, і дві молекули АТФ. В результаті не відбувається ні окислення ні відновлення глюкози (співвідношення C: H однакове для вихідних речовин (глюкоза) і продуктів (етанол + вуглекислий газ) і становить 1: 2).
поширення
Метаболічний шлях спиртового бродіння наявний у багатьох організмів, в тому числі грибів (дріжджів, дріжджоподібних та деяких цвілевих грибів), водоростей, найпростіших, бактерій, деяких рослин. У частині анаеробних організмів він є основним шляхом отримання енергії, наприклад в бактерії Zymomonas mobilis, тоді як багато факультативних анаеробів, наприклад пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae, використовують як альтернативу диханню тільки при відсутності кисню.
На відміну від ферменту піруватдекарбоксилази, що є специфічним для спиртового бродіння і відсутній у організмів, для яких характерне молочнокислого бродіння (в тому числі і людини), алкогольдегидрогеназа є у багатьох видів, які можуть використовувати етанол в якості джерела енергії. У печінці людини цей фермент каталізує реакцію зворотну такої у спиртовому бродінні.
Використання спиртового бродіння
Виробництво алкогольних напоїв
Спиртове бродіння здавна використовується для виробництва алкогольних напоїв, таких як вино, пиво, ель. Джерелом вуглеводів для цих процесів можуть служити різні рослини. Частина з них містять готові до зброджування моно- і олігосахариди: наприклад сахароза і фруктоза в виноградному соку. В такому випадку ферментація може починатися без попередньої обробки. З іншого боку зернові, такі як пшениця, овес, рис і т.д. та інші продукти, що містять крохмаль, спочатку повинні пройти процес гідролізу полісахаридів. Продуктом гідролізу є сусло, яке вже містить цукру готові до зброджування.
Виробництво пива і елю
Для пива та елю вихідною сировиною є зерно: ячмінь, пшениця, рис. Ці продукти містять крохмаль, який може бути сусбтратом для зброджування тільки після гідролізу. Для активації гідролітичних ферментів зерно пророщують, утворений солод подрібнюють і змішують з водою, в таких умовах крохмаль і білки розкладаються до простих речовин - мальтози, глюкози, амінокислот. Утворюється сусло, до якого додають хміль, який первинно використовувався для придушення зростання мікроорганізмів гниття, і нагрівають. Після цього відбувається інокуляція сусла - додавання культури дріжджів. Для виробництва пива найчастіше використовують дріжджі низового бродіння, такі як Saccharomyces carlsbergensis, які осідають на дно ферментера. Бродіння триває 7-12 днів, що утворився продукт має pH 4,1-4,2. Дріжджі верхового бродіння, такі як S.cerevisiae використовуються для виробництва елю, він кисліше pH 3,8. Після бродіння пиво ще деякий час дозріває, після чого до нього зазвичай додають вуглекислого газу і пастеризують або стерилізують фільтрацією.
Міцні алкогольні напої, такі як віскі, горілка, джин, отримують технології схожою з пивоваріння, доповненої перегонкою.
Хлібопекарська
Дріжджі використовуються людьми для виготовлення хліба вже принаймні 4,5 тисячоліть, про що свідчать давньоєгипетські малюнки, на яких докладно зображений цей процес, а також пекарня 2575 до н. е. знайдено в районі некрополя Гізи.
Оскільки при виробленні хліба дріжджі S.cerevisiae вирощуються при аеробних умовах, дихання переважає над спиртовим бродінням. Через це спостерігається посилене виділення вуглекислого газу і незначне утворення етанолу. Вуглекислий газ викликає «сходження» тесту і відповідає за легку пористу текстуру хліба, а продукти бродіння надають йому характерний смак.
виробництво біопалива
Етанол, отриманий в процесі спиртового бродіння, може бути використаний як недороге і поновлювані джерела енергії. В якості сировини для виробництва етанолового біопалива використовується рослинний матеріал, багатий сахарозу, крохмаль або целюлозу: кукурудзу, пшеницю, цукровий буряк і очерет, солому, відходи деревообробної промисловості, побутові відходи рослинного походження тощо. Зазвичай сировину хімічно обробляють з метою гідролізу полісахаридів до мономерів, після чого до отриманої маси додають витривалі штами дріжджів.
виробництво гліцерину
Під час Другої світової війни Німеччина мала велику потребу в гліцерин, для виготовлення вибухової речовини нітрогліцеролу. Імпорт гліцерину був обмежений британської морської блокадою, тому робилися спроби налагодити власне виробництво. На той час було відомо, що гліцерин в невеликих кількостях утворюється при спиртового бродіння за участю S.cerevisiae. Німецький вчений Карл Нойберг знайшов спосіб модифікувати процес таким чином, щоб вихід цієї речовини був значно вище. Для цього він додав в середу з дріжджами 3,5% сульфіту натрію при pH 7,0. Бісульфіт іони утворюють комплекс з ацетальдегіду, в результаті чого останній стає недоступним для відновлення в етанол. Оскільки дріжджі однаково потребують акцептора електронів і водню, вони використовують з цією метою один з проміжних продуктів гліколізу - дігідроксіацетонфосфат, що відновлюється до гліцеролфосфату. Останній перетворюється в гліцерин внаслідок дефосфорилювання.
Це відкриття дозволило Німеччині отримувати близько 1000 тонн гліцерину в місяць, завдяки тому, що більшість пивоварень був перетворений в фабрики з виробництва цієї речовини. Після настання миру такий шлях отримання гліцерину не був економічно конкурентоспроможним і тому припинився.
