Спиртовое брожение

Спиртовое брожение.  

 Основные возбудители  спиртового брожения – дрожжи  – играют большую роль в  жизни человека. Они необходимы  для получения этилового спирта, пива, вина, а также хлебопечения. Совместно с молочнокислым брожением  оно используется для производства  кваса, кефира, кумыса. В процессе  спиртового брожения наряду с  основным продуктом – этанолом  образуются побочные продукты: глицерин, высшие спирты, сивушные масла,  альдегиды, органические кислоты,  эфиры, углекислый газ.   

 Большинство  дрожжей способно сбраживать  моносахариды (глюкозу, фруктозу) и  дисахариды (сахарозу, мальтозу). Крахмал  дрожжи не сбраживают, так как  амилолитические ферменты у них отсутствуют. Поэтому крахмалосодержащее сырье для бродильных производств предварительно подвергают осахариванию (частичному гидролизу) при участии амилаз различного происхождения. Концентрация сахара 10-15% наиболее благоприятна для большинства дрожжей.  

 По отношению  к температуре сахаромицеты подразделяются  на расы низового и верхового брожения. К расам низового брожения относится большинство винных и пивных дрожжей, к расам верхового – спиртовые и хлебопекарные. Дрожжи низового брожения функционируют в производстве при температуре 6-10⁰С и ниже (до 0⁰С), а верхового – обычно при 14-25⁰С. В конце брожения низовые дрожжи оседают на дно, формируя плотный осадок, верховые – всплывают на поверхность и образуют «шапку». Способность последних подниматься на поверхность обусловлена тем, что клетки после почкования остаются соединенными в небольшой цепочке; пузырьки углекислого газа поднимают их на поверхность.  

 Дрожжи  широко распространены в природе.  Встречаются на фруктах, ягодах, винограде, в почве и воздухе, особенно в летнее время. Принято различать культурные и дикие дрожжи. Применение чистых культур специально селекционированных микроорганизмов – важный этап борьбы за качество и чистоту процесса брожения. Чистые культуры дрожжей размножают в производственных лабораториях на оптимальных для их роста средах, пересевая во все возрастающие емкости. В стадии высокой физиологической активности культуры передают в цех, где продолжают выращивать в дрожжерастительных аппаратах на обогащенных производственных субстратах и затем используют в технологическом процессе. В цехах создают условия, необходимые для жизнедеятельности дрожжей в заданном направлении и позволяющие подавить рост микроорганизмов.   

 Уравнение спиртового  брожения в общем виде выглядит  следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ ---- 2СН₃СН₂ОН + 2СО₂ + 118 кДж.                            

 глюкоза    этиловый спирт   

 Спиртовое  брожение протекает при кислых  значениях рН 4 – 4,5. При подщелачивании  среды до рН 8 или при введении  в среду сульфита (или биосульфита) натрия дрожжи в качестве основного продукта брожения накапливают не спирт, а глицерин (до 40% по отношению к сброженному сахару). Это так называемая глицериновая форма спиртового брожения: 

2С₆Н₁₂О₆ ---- 2СН₂ГНСНОНСН₂ОН + СН₃СН₂ОН  +

глюкоза                глицерин                этиловый спирт

СН₃СООН + 2СО₂ + Энергия.                                       

 уксусная к-та    

 Как и  любое брожение, это сложный многоэтапный  процесс, протекающий при участии  комплекса разнообразных ферментов, имеющихся у дрожжей. Каждая стадия катализируется соответствующим ферментом.  

 Дикие  дрожжи имеют более слабую  бродильную способность и образуют  вещества, придающие неприятный  запах и привкус. Попадая в  пищевые продукты, они могут наносить  значительный урон ряду отраслей пищевой промышленности. Так, при производстве сахара дрожжи вызывают разложение сахарозы, ослизнение соков и сиропов, образуют органические кислоты, ухудшают процесс фильтрации, снижают качество полупродуктов и готовой продукции. Дрожжи, развивающиеся в рассолах при квашении различных овощей и фруктов, образуют при доступе воздуха пленку на поверхности или размножаются в глубинных слоях. Дрожжи – основные возбудители порчи плодово-ягодных соков и безалкогольных напитков. Развитию дрожжей в них благоприятствует ряд факторов: наличие хорошо сбраживаемых сахаров, азотсодержащих и других необходимых соединений, а также низкое рН среды и относительно анаэробные условия. Развитие дрожжей отрицательно сказывается на качестве напитков: снижается содержание сахара, частично он сбраживается в спирт; продукты жизнедеятельности дрожжей ухудшают вкус напитков, а образующаяся в результате брожения углекислота может вызвать разрыв бутылок.

Молочнокислое брожение.   

 Молочнокислое  брожение представляет собой  процесс, столь же важный с  хозяйственной точки зрения, как  и рассмотрение выше спиртовое  брожение.  

 Молочнокислое  брожение играет определяющую  роль при производстве простокваши,  кумыса, кефира, сметаны; при квашении  капусты, огурцов, силосовании  сочных растительных кормов. Очень важна его роль при изготовлении жидких дрожжей, заквасок, кваса. Важным техническим продуктом является сама молочная кислота, широко применяемая при производстве фруктовых соков, консервов в кондитерской, кожевенной, текстильной и других отраслях промышленности.   

 Молочнокислые  бактерии, как правило, неподвижны, не образуют спор, положительно  окрашиваются по Грамму, восстанавливают  нитраты в нитриты, не образуют  пигментов, обладают небольшой  протеолитической активностью. Молочнокислые бактерии делят на две большие группы:

1. Гомоферментативные (однотипнобродящие) бактерии образуют в основном (не менее 85-90%) молочную кислоту и лишь ничтожные количества других продуктов (летучих кислот, этилового спирта и углекислоты). Этот тип молочнокислого брожения можно представить следующим общим уравнением:

 

 

С₆Н₁₂О₆ ---- 2СН₃СНОНСООН + 94 кДж.                               

 глюкоза       молочная кислота 

2. Гетероферментативные (разнотипнобродящие) – эти бактерии благодаря разнообразию имеющихся у них ферментов из сахара образуют кроме молочной кислоты и другие продукты брожения (уксусную кислоту, этиловый спирт, диоксид углерода, некоторые виды образуют еще янтарную кислоту, водород). Схематически процесс гетероферментативного молочнокислого брожения можно выразить уравнением:

 

 

С₆Н₁₂О₆ ---- 2СН₃СНОНСООН + СООНСН₂СН₂СООН +               

 глюкоза       молочная кислота        янтарная кислота

СН₃СООН + СН₃СН₂ОН + СО₂ + Н₂ + 75 кДж.                           

 уксусная к-та   этиловый      

                                                   спирт      

 Молочнокислые бактерии представлены  четырьмя родами.  

 Род  Lactobacillus – объединяет палочковидные бактерии, форма которых весьма разнообразна – от коротких коккообразных до длинных нитевидных. Сюда относятся:   

 Болгарская палочка (Lact. Bulgarius) – крупные палочки, часто образующие длинные цепочки. Это сильный кислотообразователь, накапливающий в молоке 2,5 – 3,5% молочной кислоты. Используется при изготовлении простокваши, кумыса.  

 Сырная палочка (Lact. Casei) – часто встречается в виде более или менее длинных цепочек. Накапливается до 1,5% кислоты. Используется в сыроделии.   

 Ацидофильная палочка (Lact. Acidophilus) – в молоке способна накапливать до 2,2% кислоты. Используется в производстве ацидофильных продуктов, вырабатывает антибиотические вещества, активна в отношении возбудителей кишечных заболеваний.   

 Дельбрюковская палочка (Lact. Delbiieckii) – зерновая термофильная палочка, встречается поодиночке, короткими и длинными цепочками. Применяется в производстве молочной кислоты и хлебопечении.  

 Молочнокислая палочка (Lact. Plantarum) – небольшие палочки, часто сцепленные попарно или цепочкой. Накапливают до 1,3% кислоты. Это основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов.   

 Капустная палочка (Lact. Brevis) – возбудитель брожения, протекающего при квашении капусты и огурцов. Способна образовывать ароматические вещества, придающие сквашиваемому продукту приятный вкус и аромат.   

- Род  Streptococcus объединяет гомоферментативные бактерии сферической или овальной формы, делящиеся в одной плоскости и располагающиеся парами или цепочками. Сюда относятся:  

 Молочнокислый стрептококк (Str. Lactis) – кокки, соединенные попарно или короткими цепочками. В среде накапливают до 1% кислоты. Некоторые расы образуют антибиотик низин. Широко используются при изготовлении разнообразных кисломолочных продуктов, кислосливочного масла, сыров.   

 Сливочный стрептококк (Srt. Cremoris) – сферические клетки, образующие длинные цепочки. Применяют его в заквасках вместе с молочным стрептококком. Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин.  

 Стрептококк термофильный (Str. Termophilus) – длинные цепочки кокков. Накапливают около 1% кислоты. Применяется вместе с палочковидными бактериями при изготовлении ряженки, простокваши, варенца, сыра.  

 Ароматобразующие стрептококки (Str. Diacetilactis, Str. Citrovorus) образуют кроме кислот и углекислого газа ароматические вещества (эфиры, диацетил), что обусловливает аромат кисломолочных продуктов.   

 Род  Leuconostos – объеденяет гетероферментативные кокковидные бактерии, которые бывают овальными и яйцевидными. Род включает виды Leus. Cremoris, Leus. Lactis, Leus. Oenos.  

 Род Pediococcus – сюда относят гомоферментативные кокковидные бактерии. Деление клеток происходит в двух плоскостях, в результате чего часто образуются тетрады или гроздья. Род включает виды Pacidilactici, P. damnosus, P. halophilus.   

 Молочнокислые  бактерии способны вызывать порчу многих продуктов, которые являются  благоприятной средой для их развития.  

 Консервированные  фрукты, овощи, соки, желе и другие  растительные продукты при недостаточной  стерилизации или нарушении герметичности  банок могут подвергаться порче  молочнокислыми бактериями. Они  могут вызвать бомбаж консервных банок, скисание, появление слизи, неприятного привкуса и запаха.  

 Молочнокислые  бактерии способны причиной скисания  мясных продуктов, изменения их  окраски (позеленение), ослизнения  и образование мути в рассолах, использующихся для заливки отдельных сортов мясных изделий.  

 Молочнокислые  бактерии играют ведущую роль  и в порче некоторых рыбных  изделий, вызывая бомбаж пресервов  и маринадов.   

 В субстратах  сахарного производства молочнокислые  бактерии, размножаясь в диффузионном  соке, могут вызывать прямые потери сахара путем его разложения.  

 На спиртных  заводах молочнокислые бактерии, размножаясь в производственных  субстратах, снижают бродильную  активность дрожжей, уменьшают  выход спирта и повышают содержание  в нем посторонних примесей. Вино является неблагоприятной средой для развития микроорганизмов. Существенный урон виноделию могут приносить только молочнокислые бактерии; развиваясь в винах, они сбраживают сахар и вызывают их заболевания – скисание, помутнение, превращение лимонной, винной кислот и глицерина в молочную кислоту, летучие кислоты и СО₂.

Спиртовое брожение

Брожение – это процессы получения энергии, при которых  отщепляемый от субстрата водород  переносится, в конечном счете, на органические акцепторы. Л.Пастер называл брожение жизнью без воздуха.

Спиртовое брожение – это  процесс превращения в анаэробных условиях сахара в диоксид углерода и этиловый спирт:

С₆ Н₁₂О ₆ -» 2СО₂ +2С₂ Н₅ ОН

Этиловый спирт – один из широко распространённых продуктов  сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, которые выращивают в анаэробных условиях, подбирая соответствующие  расы, обладающие необходимыми свойствами для данного производства. В результате химической реакции образуется уксусный альдегид и СО2

С02 является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора  водорода. Он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается  в этиловый спирт, а НАД Н₂ регенерируется (окисляется) в НАД.

закваска молочнокислый  бактерия аэробный

2СН₃СНО + 2НАД Н₂ -» 2СН₃СН₂ОН + 2НАД

Реакция восстановления уксусного  альдегида в этиловый спирт является завершающим этапом спиртового брожения.

Наряду с основным продуктом (этиловым спиртом) в небольшом количестве образуются побочные продукты - глицерин, уксусный альдегид, сивушные масла. В  состав сивушных масел входят пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, амиловый(пентанол) и изоамиловый(триметилбутанол) спирты, представляющие собой продукты нормального  бродильного метаболизма дрожжей  и обнаруживающиеся при росте  дрожжей на любых средах. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. Дрожжи способны сбраживать помимо глюкозы и пировиноградную  кислоту. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пировиноградной  кислоты образуется ацетальдегид; если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, добавить бисульфит, то появится новый продукт  – глицерин, однако при этом снижается  выход этилового спирта и СО2.