…ного броже­ния выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем они оседают, но редко дают плот­ный осадок на дне бродильного сосуда. Дрожжи верхового брожения по своей структуре принадлежат к пылевидным дрож­жам, не склеивающимся друг с другом в отличие от хлопьевид­ных дрожжей низового брожения, оболочки которых являются клейкими, что приводит к агглютинации и быстрому осаждению клеток.

Дрожжи низового брожения, развиваясь в сбраживаемой жидкости,  не  переходят в поверхностный   слой – пену,   быстро оседают по окончании брожения,  образуя плотный слой на дне бродильного сосуда.

Отличительным признаком является способность дрожжей низового брожения полностью сбраживать рафинозу, тогда как большинство дрожжей верхового брожения рафинозу совершен­но не расщепляет, и лишь некоторые виды могут сбраживать ее только на одну треть. Это основное различие объясняется тем, что в ферментном комплексе названного типа дрожжей содер­жится α-галактозидаза.

Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения от­носится большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения –  спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Первоначально были известны только дрожжи верхового брожения, так как брожение всяких соков происходило при обычной температуре. Желая получить напит­ки, насыщенные СО₂, человек стал вести брожение при низкой температуре. Под влиянием изменившихся внешних условий по­лучились дрожжи низового брожения с их свойствами, получив­шие широкое распространение.

Кроме общих свойств, дрожжи, используемые в том или ином производстве, обладают специфическими показателями. Более того, в одном и том же производстве применяются разновидно­сти, различающиеся одной или несколькими особенностями. Их выводят из одной клетки. Такие культуры называют расами (штаммами). Каждое производство располагает несколькими расами дрожжей.

 

Расы дрожжей спиртового производства

В спиртовом произ­водстве применяются те расы дрожжей верхового брожения, ко­торые обладают наибольшей энергией брожения, образуют мак­симум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов. Из дрожжей, применяемых при получении спирта из хлебно-картофельного сырья, следует назвать расы ХП, М и ХV.

При переработке мелассы на спирт применяют расы Я, Л, В, Г-67, Г-73. Эти расы относятся к семейству Saccharomyces taceae, роду Saccharomyces, виду cerevisiae.

Раса ХП выделена в 1902 году из хлебопекарных прессованных дрожжей. Клетки дрожжей этой расы круглые и яйцевидные размерами 5-6,2 х 5-8 мкм.

Развитие и размножение дрож­жей расы ХП идет очень быстро. Они сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу, галактозу, мальтозу, маннозу, рафинозу на одну треть и могут образовывать в сбраживаемой среде до 13%об спирта.

Раса М (Mischung – смесь), предложенная Геннебергом в 1905 году, состоит из смеси четырех рас дрожжей верхового бро­жения; она предназначена для сбраживания сред, содержащих смесь различных сахаров (декстринов, рафинозы), которые не­одинаково сбраживаются    различными дрожжами.    Такая смешанная культура очень устойчива против различных ненормаль­ных условий, встречающихся в заводской практике.

Раса ХV по технологическим признакам сходна с расой ХП. Ее применяют наряду с расой ХП для сбраживания смешанного зерно-мелассного сырья.

Из названных рас наиболее пригодной для сбраживания сусла из крахмалистого сырья является раса ХП, которая приме­няется также в гидролизном и сульфитноспиртовом производ­ствах. Правда, для сбраживания сульфитных щелоков выведены специально сульфитные дрожжи, сбраживающие глюкозу, фрук­тозу, галактозу и маннозу.

Дрожжи, применяемые на спиртовых заводах, перерабаты­вающих мелассу, должны обладать специфической способностью быстро сбраживать довольно концентрированные сахарные рас­творы и хорошо переносить высокое содержание солей в среде. Сбраживать же растворы, содержащие большие концентрации сахара, могут так называемые осмофильные дрожжи, которые выносят очень высокое осмотическое давление.

К таким дрож­жам относится раса Я, выведенная из мелассных дрожжей   К.Ю. Якубовским. Раса Я обладает исключительной способностью сбраживать вы­сокие концентрации сахара и хорошо переносит высокое содер­жание солей и спирта в сбраживаемом мелассном сусле. Дрож­жи расы Я сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу, галактозу, мальтозу; рафинозу сбраживают только  частично и совершенно не сбраживают декстрины и лактозу. Раса Я относится к пыле­видным дрожжам верхового брожения.

Дрожжи расы Л (Лохвицкая) близки по своим свойствам к дрожжам расы Я, но они несколько лучше размножаются и более полно сбраживают сахар.

Раса В (венгерская) подобно расе Л приспособлена к мелассной среде. Эти расы хорошо сбраживают сахарозу, глюкозу, фруктозу, а рафинозу частично.

Дрожжи рас Л и В наряду с высокими бродильными свойствами обладают также хорошей подъемной силой (способностью поднимать тесто), что позволяет выделять их из бражки и выпускать в прессованном виде в качестве хле­бопекарных.

Успешное применение находят гибридные дрожжи, выведен­ные в Институте генетики АН СССР путем скрещивания двух видов дрожжей. Среди гибридов наибольший интерес представляют Г-67, Г-73. Гибрид 67 получен скрещиванием пивных дрож­жей S-carlsbergensis с S.cerevisiae расы Я. Дальнейшее скрещи­вание гибрида 67 с гибридом 26 (полученным от скрещивания рас Я и ХП) дало гибрид 73. Гибриды 67 и 73 наряду с дру­гими ферментами содержат α-галактозидазу и обладают способ­ностью к полному сбраживанию рафинозы. Рекомендованы к применению и другие гибридные дрожжи.

 

Расы хлебопекарных дрожжей

В дрожжевом производстве ценятся быстро размножающиеся расы дрожжей, обладающие хорошей подъемной силой и хорошей стойкостью при хранении. Вкус хлебопекарных дрожжей должен быть чистый, цвет белый или желтоватый. Подъемная сила определяется как особенно­стями рас дрожжей, так и способом ведения производства. Стойкость дрожжей является свойством расы, но зависит от внутреннего состояния клеток и чистоты дрожжей.

При производстве хлебопекарных дрожжей из мелассы при­меняются расы VII, 14, 28 и Г-176.

Раса VII, выведенная из прессованных товарных дрожжей Томского дрожжевого завода, быстро размножается и хорошо отпрессовывается до влажности 71-72%. Дрожжи расы VII обладают хорошей подъемной силой и наибольшей стойкостью при хранении по сравнению с други­ми известными в заводской практике. Кроме того, эта культура является устойчивой к вредным примесям, содержащимся в ме­лассе.

Раса 14 предназначена для произ­водства сухих дрожжей. Эти дрожжи отличаются плотной консистенцией при влажности 75%, высокой термоустойчи­востью.

 Из гибридов хлебопекарных дрожжей отобран гибрид 176, обладающий всеми положительными признаками: крупными клетками (5,6-14,0 мкм),   устойчивостью к вредным примесям мелассы и высо­ким коэффициентом размножения, который у этой расы выше, чем у наиболее быстро размножающейся расы 14. В настоящее время проходят производственные испытания и другие перспек­тивные гибридные расы дрожжей.

 

 

Расы пивных дрожжей

В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Пивные дрожжи должны быть микробиологиче­ски чистые, а также обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом. К сильносбраживающим и легко дающим хлопья относятся пив­ные дрожжи низового брожения Фроберг (Saccharomyces cere­visiae Froberg), дрожжи рас            V и 776.

На пивоваренных заводах большое распространение получили дрожжи расы 776, которая была выведена в начале XX в. Эти дрожжи считаются пригод­ными особенно для сбраживания сусла, приготовленного с добав­кой несоложеных материалов или из солода, полученного солодованием ячменей с невысокой степенью прорастаемости. Дрожжи расы 776 –среднесбраживающие, за период главного брожения на сусле концентрацией 11% образуют примерно 2,7% СО₂. Клетки яйцевидной формы, длиной                8-10 мкм и ши­риной 5-6 мкм. Прирост дрожжевой массы 1 : 5,4. Способность к осветлению удовлетворительная.

Из других дрожжей на пивоваренных заводах применяются расы 11, 41, 44, S-Львовская и др, различающиеся по бродиль­ной энергии, способности к осаждению и энергии роста.

Дрожжи расы 11 – сильносбраживающие, с хорошей способ­ностью к осветлению. Пиво, полученное с применением дрожжей расы 11, имеет хороший вкус. Эта раса получила широкое рас­пространение на пивоваренных заводах.

Дрожжи расы 41 – среднесбраживающие, с хорошей способ­ностью к осаждению. При сбраживании сусла расой 41 получа­ется мягкое пиво с чистым вкусом.

Дрожжи расы 44 – среднесбраживающие. Способность к осаждению хорошая. Сообщают пиву полноту вкуса и дают хорошие результаты при применении в производстве воды с по­вышенной жесткостью.

Дрожжи расы S – среднесбраживающие. Способность к осаждению хорошая. Дают пиво с мягким чистым вкусом.

Дрожжи расы Р – среднесбра­живающие, хорошо осветляют пиво и обусловливают приятный чистый вкус.

Дрожжи расы F  характеризуются хо­рошей способностью к осветлению и сообщают пиву приятный аромат. Раса устойчива к действию посторонних микроорга­низмов.

Дрожжи расы А (выделены на рижском пивоваренном заво­де «Алдарис») сбраживают сусло за 7-8 суток, хорошо осветля­ют пиво и устойчивы к инфекции.

Путем разных способов селекции во ВНИИ пивобезалко­гольной промышленности получен ряд сильносбраживающих штаммов дрожжей                   (28, 48, 102), обладающих значительно боль­шей бродильной энергией, чем дрожжи исходной расы 11.

Пивные дрожжи верхового брожения находят широкое при­менение в Англии при приготовлении Портера. Они применяют­ся также для приготовления Берлинского светлого пива и дру­гих напитков. Для приготовления Бархатного пива применяют штамм 191 К, интенсивно сбраживающий моносахариды и маль­тозу, но не сбраживающий сахарозу, рафинозу и лактозу.

Расы винных дрожжей

В виноделии ценятся дрожжи, быст­ро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответст­вующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к своеобразному виду Saccharomyces ellipsoideus. Клетки их имеют продолговато-овальную форму. Дрожжи энергично сбра­живают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. В различных местностях и из различных молодых вин выделено несколько отличающихся одна от другой разновидностей или рас этого вида. В виноделии почти все производственные культуры дрож­жей – своего, местного происхождения. К их числу относятся расы Магарач 7, Массандра 3, Пино 14, Кахури и многие другие. Наряду с этими расами применяются и некоторые иностранные, например раса Штейнберг, выделенная в Германии в 1892 и  1893 гг., и раса Шампань-Аи.

Большая часть винных дрожжей относится к дрожжам низо­вого брожения.

Для приготовления белых столовых вин применяются расы Пино 14, Феодосия 1/19, Алиготе, Рислинг Анапский.

Раса Пино 14 имеет клетки яйцевидной формы, хорошо сбра­живает виноградное сусло сахаристостью 20 % с образованием 11,57%об спирта; оптимальная температура развития и бро­жения 18^:-25°С. Эта раса является холодостойкой и кислото­стойкой; оптимальная величина рН 2,9-3,9.

Раса Феодосия 1/19 – крупноклеточная, пылевидная, очень энергичная, быстро сбраживает виноградное сусло и хорошо дображивает его; имеет широкий температурный диапазон бро­жения (от 9 до 35°С) и может применяться как холодостойкая и как термостойкая.

Дрожжей Алиготе имеется несколько рас, и все они сильные, с высокой энергией брожения. К энергично сбраживающим от­носятся и дрожжи Рислинг Анапский.

Для приготовления крепких вин применяется раса Массанд­ра 3 с яйцевидной формой клеток, пылевидная; оптимальная величина рН 3,7-4,05; оптимальная температура брожения 18-20°С. Виноградное сусло с содержанием сахара 20% сбраживается полностью; при сбраживании концентрированного виноградного сусла (30% сахара) образует 11,8%об спирта и оставляет несброженным 8,7% сахара.

Раса Магарач 125, названная в ознаменование 125-летнего юбилея первых посадок винограда в институте «Магарач», при­меняется для получения крепких и десертных вин. Эта раса хо­рошо сбраживает высококонцентрированные виноградные сусла с  содержанием сахара 27-30%, холодостойкая.

Раса Кахури 2 широко применяется для приготовления шам­панских виноматериалов и вин. Виноградное сусло с содержанием сахара 20%  она сбраживает с образованием 11,4%об спирта, оста­ется несброженным 0,28% сахара. Эта раса довольно холодо­стойкая (при температуре 14-15°С сусло забраживает на 2-й день) и сбраживает хорошо; оптимальная величина рН            3,4-3,6.

Раса Шампанская 7, применяемая для шампанизации вина в бутылках, выделена из расы Кахури 5 и характеризуется об­разованием трудно взмучивающегося осадка; интенсивно сбра­живает при температуре 4-9°С, хотя сусло и забраживает только на 5-6-й день.

 Из винных дрожжей наиболее холодостойкой считается раса Ленинградская,  а наиболее термостойкой – раса Ашхабадская 3.

В производстве хереса применяются специальные расы дрож­жей, которые являются разновидностью вида Saccharomyces oviformis. Хересные дрожжи образуют на поверхности вина в неполных бочках пленку, благодаря развитию которой вино приобретает особые букет и вкус.

Путем тщательного отбора по наиболее важным производст­венным признакам выделено несколько рас хересных дрожжей (13, 15 и 20) с высокой пленкообразующей способностью. В дальнейшем из производства, применявшего расу Херес 20, была отселекционирована более эффективная раса Херес 20-С, которая нашла широкое применение на многих заводах по про­изводству хереса.

В плодово-ягодном виноделии применяются селекционирован­ные расы дрожжей, выделенные из различных плодово-ягодных соков. Плодово-ягодные соки богаты дрожжами, обладающими всеми необходимыми для производства качествами и биологи­чески приспособленными к условиям развития в исходных пло­дово-ягодных соках. Поэтому штаммы дрожжей, выделенных из земляничных соков, применяются для сбраживания земляничных соков, а штаммы дрожжей, выделенных из вишневых соков, при­меняются для сбраживания вишневых соков и т. д.

 В плодово-ягодном виноделии получили распространение следующие штаммы: яблочные 46, 58, клюквенный 17, смородиновый 16, брусничные 3, 7, 10, малино­вые 7/5, 25, 28, 28/10, вишневые 3, 6, земляничные 7, 4, 9.

Назван­ные штаммы дрожжей обеспечивают нормальный ход брожения, полноту сбраживания, быструю осветляемость и хорошие вкусо­вые качества вина; они сбраживают глюкозу, фруктозу, сахаро­зу, мальтозу, галактозу и не сбраживают лактозу и маннит.

Успешно применяются в плодово-ягодном виноделии расы дрожжей Москва 30,  Яблочная 7, Вишневая 33, Черносмородиновая 7, Малиновая 10 и Сливовая 21. Чистая культура дрожжей Москва 30  рекомендуется для сбраживания клюквенного сусла; Яблочная 7 и Вишневая 33 – для сбраживания яблочного сус­ла; Черносмородиновая 7 и Вишневая 33 – для сбраживания черносмородинового и вишневого сусла.

 

 

 

 

 

 

 

 

4   Химизм спиртового брожения. Вторичные и побочные продукты спиртового брожения

 

Спиртовое брожение представляет собой цепь ферментатив­ных процессов, конечным результатом которых является распад гексозы с образованием спирта и СО₂ и доставка дрожжевой клетке той энергии, которая необходима для образования новых веществ, используемых для процессов жизнедеятельности, в том числе для роста и размножения. По химическому характеру спир­товое брожение – каталитический процесс, происходящий под действием биологических катализаторов – ферментов.

Современная теория спиртового брожения является резуль­татом работ многих ученых различных стран мира.

Для выяснения процессов брожения большое значение имели работы выдающихся отечественных ученых: Лебедева, Костычева, Фаворского, Иванова, Энгельгардта.

По современным представлениям, спиртвое брожение – это сложный непрерывный процесс распада сахара, катализируемый разными ферментами с образованием 12 промежуточных продуктов.

  1 Начальной стадией превращения глюкозы является ре­акция фосфорилирования ее при участии фермента глюкозиназы. К молекуле глюкозы присоединяется фосфатный остаток от молекулы АТФ, которая находится в клетках дрож­жей, и образуется глюкозо-6-фосфат, а АТФ превращается в АДФ:

С₆Н₁₂О₆ + АТФ → СН₂О(Н₂РО₃)(СНОН)₄СНО+АДФ

                               Глюкоза                                           Глюкозо-6-фосфат

В результате присоединения фосфатного остатка от молеку­лы АТФ к глюкозе реакционная способность последней возра­стает.

 

2 Глюкозо-6-фосфат путем изомеризации под действием фермента глюкозофосфатизомеразы   переходит обрати­мо в форму фруктозы:

СН₂О(Н₂РО₃)(СНОН)₄СНО → СН₂О(Н₂РО₃)(СНОН)₃СОСН₂ОН

                     Глюкозо-6-фосфат                                    Фруктозо-6-фосфат

 

3 Далее под действием фермента фосфофруктокиназы со второй молекулы АТФ переносится еще один фос­форный остаток на фруктозо-6-фосфат и образуется фруктозо-1,6-дифосфат и новая молекула АДФ:

СН₂О(Н₂РО₃)(СНОН)3СОСН₂ОН + АТФ →

                                                                    Фруктозо-6-фосфат                                            

 → СН₂О(Н₂РО₃)(СНОН)₃СОСН₂О(Н₂РО) + АДФ

                                                     Фруктозо-1,6-дифосфат

Эфиры глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат образуют равновесную смесь, получившую название эфира Эмдена и со­стоящую на 70-75% из эфира Робисона (глюкозы) и на 25% из эфира Нейберга (фруктозы).

 

 

Образованием фруктозо-1,6-дифосфата заканчивается подготовительная стадия спиртового брожения с переносом макроэргических фосфатных связей и с преобразованием гексозы в лабильную оксиформу, легко подвергающуюся дальнейшим фер­ментативным превращениям.

 

4 Следующим важнейшим этапом является десмолиз – разрыв углеродной цепи фруктозодифосфата с образованием двух
молекул фосфотриоз. Симметричное расположение остатков фосфорной кислоты по концам молекулы фруктозы облегчает разрыв ее углеродной цепи как раз в середине. Фруктозодифосфат распадается при этом на две триозы: фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Реакция    катализируется фер­ментом альдолазой и обратима:

СН₂О(Н₂РО₃)(СНОН)₃СОСН₂О(Н₂РО) → CH₂О(Н₂Р0₃)СОСН₂ОН +

                                                  Фруктозо-1,6-дифосфат                     Фосфодиоксиацетон

 

 

 

+ СН₂0 (Н₂РОз) СНОНСНО                                 (4)

З-фосфоглицериновый альдегид

Главная роль в дальнейших превращениях при спиртовом брожении принадлежит 3-фосфоглицериновому альдегиду, но в сбраживаемой жидкости он обнаруживается лишь в незначи­тельном количестве. Это объясняется взаимным переходом ке-тозного изомера в альдозный и обратно под действием фермента триозофосфатизомеразы (5.3.1.1)

СН₂0 (Н₂Р0₃) СОСН₂ОН ;£ СН₂0 (Н₂Р0₃) СНОНСНО

Фосфодиоксиацетон     З-фосфоглицериновый альдегид

По мере дальнейшего превращения фосфоглицеринового аль­дегида новые количества его образуются в процессе изомериза­ции фосфодиоксиацетона.

5. Последующим этапом является окисление двух молекул З^фосфоглицеринового альдегида. Эта реакция катализируется триозофосфатдегидрогеназой (1.2.1.12), коферментом которой яв­ляется НАД (никотинамид-аденин-динуклеотид). В окислении участвует фосфорная кислота среды. Реакция протекает по сле­дующему уравнению: 2СН₂0 (Н₂Р0₃) СНОНСНО + 2Н₃Р0₄ + 2НАД Триозофосфатдегидрогеназа ->

З-фосфоглицериновый альдегид

->- 2СН₂0 (Н₂Р0₃) СНОНСОО w (H₂P0₃) + 2НАД

· Н₂       (5)

1,3-дифосфоглицериновая йислота

Молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет фосфат, а водород переносится на кофермент НАД, который восстанавливается. Энергия, освобождающаяся в результате окисления 3-фосфоглицеринового альдегида, аккумулируется в макроэргической связи образующейся 1,3-дифосфоглицериновой

кислоты.

6.        Далее фосфатный остаток 1,3-дифосфоглицериновой кисло­

ты, содержащий макроэргическую связь, при участии фермента
фосфоглицераткиназы (2.7.2.3) переносится на молекулу АДФ.
Образуется 3-фосфоглицериновая кислота, а АДФ, приобретая
дополнительную макроэргическую связь, превращается в АТФ:
2СН₂0 (Н₂Р0₃) СНОНСОО со (Н₂Р0₃) + 2АДФ->2СН₂0 (Н₂Р0₃) CHOHCOOH+

 

1,3-дифосфоглицериновая кислота     3-фосфоглицериновая кислота

+ 2АТФ.                                                               (6)

7.        Затем под действием фермента фосфоглицеромутазы
(2.7.5.3) остаток фосфорной кислоты перемещается от третьего
углерода ко второму, и в результате 3-фосфоглицериновая кис­
лота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту:

2СН₂ (Н₂Р0₃) CHOHCOOH ^t 2CH₂0HCH0 (Н₂Р0₃) СООН. (7)

3-фосфоглицериновая кислота 2-фосфоглицериновая кислота

8.        Следующей стадией является дефосфорилирование 2-фос-
фоглицериновой кислоты. При этом 2-фосфоглицериновая кис­
лота под действием фермента энолазы (4.2.1.11) путем дегидра­
тирования (потери воды) превращается в фосфоэнолпировино-
градную кислоту:

2СН₂ОНСНО (Н₂Р0₃) СООН qt 2СН₃ : СО со (Н₂Р0₃) СООН + 2Н₂0.     (8)

2-фосфоглицериновая кислота Сосфоэнолпировиноградная кислота

При этом превращении происходит перераспределение внут­римолекулярной энергии и большая ее часть аккумулируется в макроэргической фосфатной связи.

9.        Весьма нестойкая фосфоэнолпировиноградная кислота
легко дефосфорилируется, при этом остаток фосфорной кислоты
под действием фермента пируваткиназы (2.7.1.40) передается
вместе с макроэргической связью молекуле АДФ. В результате
образуется более устойчивая кетоформа пировиноградной кисло­
ты, а АДФ превращается в АТФ:

2СН₂ : СО сю (Н₂Р0₃) СООН + 2АДФ -* 2СН₃СОСООН + 2АТФ.     (3 )

Фосфоэнолпировиноградная      Пировиноградная

кислота                                         кислота

10.      Пировиноградная кислота под действием фермента пи-
руватдекарбоксилазы (4.1.1.1) декарбоксилируется с отщепле­
нием С0₂ и образованием уксусного альдегида:

2CH₃COCOOH -*2С0₂ + 2СН₃СНО.                     (10)

Пировиноградная              Уксусный альдегид

кислота

11.      Уксусный альдегид при участии фермента алкогольдегид-
рогеназы (1.1.1.1) взаимодействует с НАД-Н₂, образовавшимся
ранее при окислении фосфоглицеринового альдегида в фосфо-
глицериновую кислоту [см. уравнение (5)]. В результате уксус­
ный альдегид восстанавливается в этиловый спирт, а кофермент
НАД-Н₂ вновь регенерируется (окисляется в НАД):

2СН₃СНО + 2НАД • Н₂ Z 2СН₃СН₂ОН + 2НАД.   (11)

Итак, завершающим этапом брожения является реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт.

Из рассмотренного цикла реакций спиртового брожения вид­но, что из каждой молекулы глюкозы образуется 2 молекулы спирта и 2 молекулы С0₂.

В процессе спиртового брожения образуется четыре молеку­лы АТФ [см. уравнения (6) и (9)], но две из них затрачиваются на фосфорилирование гексоз [см. уравнения (1) и (3)]. Таким образом, запасается всего 2 г-моль АТФ.

Ранее указывалось, что на образование каждой грамм-моле­кулы АТФ из АДФ затрачивается 41,9 кДж, а в энергию двух молекул АТФ переходит соответственно 83,8 кДж. Следователь­но, при сбраживании 1 г-моль глюкозы дрожжи получают энер­гии около 84 кДж. В этом и заключается биологический смысл брожения. При полном расщеплении глюкозы на С0₂ и воду выделяет­ся 2874 кДж, а при окислении 1 г-моль глюкозы до С0₂ и Н₂0 в процессе аэробного дыхания аккумулируется 2508 кДж, так как образующийся этиловый спирт еще сохраняет в себе потен­циальную энергию. Таким образом, с энергетической точки зре­ния брожение — процесс малоэкономичный.

Сбраживание отдельных Сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всех сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Однако сахароза как таковая исчезает в сусле (инвертируется) еще в начале брожения. Она гидролизу-ется р-фруктофуранозидазой (3.2.1.26) оболочки дрожжевых клеток с образованием гексоз (глюкозы и фруктозы), которые легко используются клеткой. Когда в сусле почти не остается фруктозы и глюкозы, дрожжи начинают потреблять мальтозу.

§ 5. ВТОРИЧНЫЕ И ПОБОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ СПИРТОВОГО БРОЖЕНИЯ

Все вещества, получающиеся в результате сбраживания са­хара дрожжами, за исключением спирта и С0₂, относятся к вто­ричным продуктам спиртового брожения. Кроме них, имеются побочные продукты спиртового брожения, которые образуются не из сахара, а из других веществ, находящихся в сбраживае­мом субстрате. К ним относятся амиловый, изоамиловый, изо-бутиловый и другие спирты, известные под названием сивушного масла.

Из вторичных продуктов спиртового брожения известны глицерин, уксусный альдегид, пировиноградная, уксусная, ян­тарная, лимонная и молочная кислоты, ацетоин (ацетилметил-карбинол), 2,3-бутиленгликоль и диацетил. В аэробных условиях пировиноградная кислота является также исходным веществом для цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса), по которому из нее образуются уксусная, лимонная, яблочная и янтарная кислоты. Высшие спирты образуются тоже из пировиноградной кислоты путем аминирования ее до аланина, который в свою очередь переаминируется в соответствующую кетокислоту. В ус­ловиях спиртового брожения кетокислоты, восстанавливаясь, образуют высшие спирты. Поэтому вторичные и побочные про­дукты спиртового брожения строго разграничить нельзя.

Уксусный альдегид может испытывать дисмутацию с обра­зованием уксусной кислоты и этилового спирта (реакция Кан-ниццаро):

СН₃СОН + СН₃СОН + Н₂0 = СНзСООН + СН₃СН₂ОН.

Одна из молекул альдегида окисляется в кислоту, а другая восстанавливается в спирт. В щелочной среде одна    молекула

уксусного альдегида вступает в окислительно-восстановитель­ную реакцию со второй молекулой уксусного альдегида; при этом образуются этиловый спирт, уксусная кислота и одновре­менно с ними глицерин, что выражается таким суммарным урав­нением:

2C₆Hi₂0₆ + Н₂0 = 2СН₂ОНСНОНСН₂ОН + СН₃СН₂ОН + СН₃СООН + 2С0₂.

Глицерин образуется в небольшом количестве при спиртовом брожении. При изменении условий брожения его производство можно осуществить в промышленном масштабе.

Глицерин и уксусный альдегид являются промежуточными продуктами спиртового брожения. На последнем этапе нормаль­но протекающего процесса брожения происходит восстановле­ние значительной части уксусного альдегида в этанол. Но если уксусный альдегид связать сульфитом натрия, то направление спиртового брожения изменится в сторону образования больших количеств глицерина.

Удаление уксусного альдегида из сбраживаемой среды суль­фитом натрия представляется в следующем виде:

СН₃СНО + Na₂S0₃ + H₂OW CH₃CHONaHS0₂ + NaOH.

Уксусный альдегид, образовавшийся при декарбоксилирова-нии пировиноградной кислоты, в результате связывания суль­фитом не может служить акцептором водорода. Место уксусно­го альдегида занимает фосфодиоксиацетон, который получает водород от восстановленного НАД-Н₂, образуя а-глицерофос-фат. Эта реакция катализируется ферментом глицерофосфатде-гидрогеназой. Под действием фосфатазы «-глицерофосфат де-фэсфорилируется, превращаясь в глицерин. Таким образом, в присутствии Na₂S03 протекает глицерино-альдегидное броже­ние:

С₆Н₁₂0₆ =  CH3CHO   + СН₂ОНСНОНСН₂ОН + С0₂.

Сахар         Ацетальдегид        Глицерин

С увеличением количества сульфита натрия, вводимого в сбраживаемую среду, соответственно увеличивается количество связанного альдегида и ослабляется образование этанола и С0₂.

Образование кислот и ацетоина. Янтарная кислота образует­ся дегидрированием и конденсацией двух молекул уксусной кис­лоты с одной молекулой уксусного альдегида (гипотеза В. 3. Гва-ладзе и Женавуа):

2СН₃С00Н + СН₃СНО -* С00НСН₂СН₂С00Н + СН₃СН₂ОН.

В процессе спиртового брожения янтарная кислота образует­ся также дезаминированием глютаминовой кислоты. Акцепто­ром водорода в этой реакции является триозоглицериновый аль- Дегид, поэтому реакция дезаминированйя сопровождается одно­временным накоплением глицерина:

C₆Hi₂0₆ + COOHCH2CH2CHNH2COOH + 2Н₂0 = СО0НСН₂СН₂С0ОН -Ь

Глюкоза                                       Глютаминовая кислота        Янтарная кислота

+ 2СН₂ОНСНОНСН₂ОН₃ + NH₃ + С0₂.

.Глицерин

Амми>ак потребляется дрожжами на синтез белка, а глице­рин и янтарная кислота при этом выделяются в среду.

Образование лимонной кислоты, по Лафону, происходит из. девяти молекул уксусного альдегида:

9СН₃СОН + 4Н₂0 = (СН₂СООН)₂ С (ОН) СООН + 6СН₃СН₂ОН.

Лимонная кислота

Образование молочной кислоты объясняют восстановлением пировиноградной кислоты:

СНзСОСООН + Н₂ -> СН₃СН (ОН) СООН.

Пировиноградная  Молочная кислота

кислота

Однако полагают более вероятным ее образование в резуль­тате гидролиза промежуточного продукта спиртового броже­ния — фосфоглицеринового альдегида:

СНОСНОНСН₂ОР0₃Н₂ + Н₂0 -* СН₃СН (ОН) СООН + Н₃Р0₄.

Фосфоглицериновьш      Молочная кислота

альдегид

Конденсацией уксусной кислоты с ацетальдегидом объясня­ют образование ацетоина:

1) СНзСООН + СН₃СНО->-СНзСОСОСНз + Н₂0;

Диацетил

2) СН3СОСОСН3 + СНзСНО -4   СН3СОСНОНСН3 + СНзСООН.

Ацетоин

Сначала образуется диацетил; затем путем дисмутации со-пряженного окисления-восстановления за счет воды диацетила с ацетальдегидом образуется ацетоин.

При восстановлении ацетоина образуется 2,3-бутиленгли-коль:

СН₃СОСНОНСНз + НАД ■ Н₂ *± СН₃СНОНСНОНСН₃ + НАД.

Механизм образования некоторых вторичных продуктов спиртового брожения еще не совсем ясен, однако не подлежит сомнению, что уксусный альдегид является основным исходным веществом для синтеза вторичных продуктов брожения.

Среди вторичных продуктов преобладают уксусная и янтар­ная кислоты, а также 2,3-бутиленгликоль и уксусны… Продолжение »