Брожение

Брожение

БРОЖЕНИЕ. Под брожением разумеют такие процессы, при которых происходит изменение химического состава веществ под влиянием различных микроорганизмов - дрожжей, бактерий, плесеней. Собственно, действующими веществами являются здесь энзимы, которые могут производить ту же работу и вне живых клеток, если они выделены из этих последних. Микроорганизмы же являются только лабораториями, вырабатывающими энзимы, и применяются лишь потому, что не имеется удобных способов получения этих энзимов в чистом виде помимо живых клеток. В промышленной практике применяют все виды брожения.

Особенно важно по своему широкому распространению спиртовое брожение (вызываемое различными видами дрожжей), которое является основным процессом в винокурении, пивоварении, виноделии и в хлебопекарном производстве. При этом брожении гексозы С6Н12О6 (декстроза, левулоза) распадаются на спирт и углекислоту по уравнению, данному Гей-Люссаком:

С6Н12О6 = 2 С2Н6О + 2 СО2,

причем теоретически из 180 частей сахара получается 92 ч. спирта и 88 ч. углекислоты, или 51,1% спирта и 48,9% углекислоты, т. е. почти поровну. Вышеприведенное уравнение выражает лишь конечный результат спиртового брожения. На самом деле процесс разложения сахара идет через несколько промежуточных ступеней. На основании работ Нейберга, ход брожения в настоящее время представляется в следующем виде. Частица сахара, отщепляя воду, дает метилглиоксальальдоль, который сейчас же деполимеризуется в две частицы метилглиоксаля. Последние вступают в реакцию Каниццаро и дают глицерин и пировиноградную кислоту. Пировиноградная кислота расщепляется на ацетальдегид и углекислоту; ацетальдегид реагирует, по Каниццаро, с новыми количествами метилглиоксаля и дает спирт и пировиноградную кислоту, которая опять распадается на ацетальдегид и углекислоту, и т. д. Таким образом процесс брожения сахара выражается следующим рядом уравнений:

процесс брожения сахара выражается следующим рядом уравнений

Все эти реакции происходят под влиянием вырабатываемых клетками энзимов, весь комплекс которых известен под именем зимазы. Зимаза была выделена Бухнером из дрожжевых клеток путем тщательного их растирания и отпрессовывания дрожжевого сока. Отжатый и профильтрованный сок обладал такой же способностью разлагать сахар на спирт и углекислоту, как и живые дрожжи, чем и был с несомненностью доказан энзиматический характер процесса брожения. В настоящее время предполагается, что зимаза, согласно нейберговской схеме брожения, должна содержать 5—7 отдельных специфических энзимов, но с достоверностью выделена только карбоксилаза, разлагающая пировиноградную кислоту на ацетальдегид и уксусную кислоту. Соответственно задачам, которые ставит себе то или иное производство при спиртовом брожении, достигают разнообразных результатов, видоизменяя условия, при которых оно ведется, именно: природу дрожжей, температуру, состав и концентрацию среды. Так, известны два типа спиртового брожения - верховое и низовое, вызываемые разными расами дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Верховое брожение идет при 15—25° очень энергично и дает полное сбраживание сахара в короткое время (2—3 дня), причем дрожжи все время выносятся на поверхность выделяющейся СО2. Такое брожение применяется в винокурении, где требуется достижение максимального выхода спирта в возможно короткий срок, а также в пивоварении - для тех сортов пива, которые имеют повышенное содержание спирта, как портер и эль, и, наконец, в дрожжевом производстве. В последнем брожение ведется в сусле, богатом азотистыми веществами и фосфорными соединениями, и притом с продуванием воздуха с целью достичь усиленного размножения и максимального выхода дрожжей. Низовое брожение идет при низких температурах гораздо медленнее, дает неполное сбраживание, вследствие чего в пиве остаются экстрактивные вещества, содержащие сахар и декстрин и придающие пиву полноту вкуса. Кроме того, способность дрожжей бродить, хотя медленно, при температуре около 2° дает возможность достаточно насытить пиво выделяющейся углекислотой. В виноделии виноградное сусло обычно подвергается самосбраживанию за счет размножения тех дрожжей, которые находятся на самих ягодах, и редко применяются дрожжи чистой культуры. Эти дрожжи относятся к виду Saccharomyces ellipsoideus и сбраживают сусло при температуре от 15 до 30° в течение приблизительно 7 дней. Брожение теста при хлебопечении ведут при высокой температуре в 32°, чтобы создать благоприятные условия для энзиматического расщепления белков и крахмала и образования некоторого количества молочной кислоты. Т. к. здесь достаточно сбродить очень небольшое количество крахмала муки (около 2%), чтобы образовалось необходимое для разрыхления количество углекислоты, то брожение ведут короткое время - всего несколько часов. Работы Нейберга, указавшие пути расщепления сахара при спиртовом брожении, дали возможность изменить направление этого брожения. Если связывать образующийся альдегид путем прибавления сернистых солей, то спирта не образуется, и появляется в большом количестве глицерин. В этом случае результат брожения выражается уравнением:

С6Н12О6 = СН3∙СОН + СО2 + С3Н8О3.

Практически здесь получается также и спирт, потому что сернистые соли можно прибавлять лишь до известного предела, так как большое количество их действует угнетающе на брожение. Это направление брожения используется в промышленности для получения глицерина в больших размерах. Нейберг показал также, что если вести брожение в щелочной среде, то оно получает новое направление. В этом случае две частицы ацетальдегида претерпевают дисмутацию (по Каниццаро) и образуют одну частицу спирта и одну частицу уксусной кислоты:

две частицы ацетальдегида претерпевают дисмутацию (по Каниццаро) и образуют одну частицу спирта и одну частицу уксусной кислоты

Результат брожения можно выразить следующим общим уравнением:

2 С6Н12О6 + Н2О = 2 С2Н8О3 + 2 СО2 + С2Н5ОН + СН3∙СООН.

Спиртовое брожение вызывается также особого рода плесенями, относящимися к виду мукор, так называемыми мукоровыми дрожжами. В Китае и Японии эти дрожжи применяются для приготовления рисовой водки. В европейской промышленности ими пользуются при производстве спирта по способу «амило», гл. обр. в первой стадии, т. е. для осахаривания. Наконец, особого вида спиртовое брожение вызывается и некоторыми бактериями; так, Bacter acetobutylicus дает этиловый спирт и ацетон, Bacter butylicus - бутиловый спирт и ацетон. Эти бактерии применяются в промышленном масштабе для получения ацетона.

Уксусное брожение возбуждается разного вида уксусными бактериями - Bacter асеti, Bacter Kutzingianum, Bacter Orleanense и другие - и состоит в окислении винного спирта в присутствии кислорода воздуха сначала в альдегид, а потом в уксусную кислоту; оно идет при 25°, согласно уравнениям:

С2Н6О + О = С2Н4О + Н2О,
С2Н4О + О = С2Н4О2.

Уксусное брожение применяется в промышленности для приготовления столового уксуса либо самоброжением, либо окислением винного спирта посредством чистых разводок Bacter aceti (немецкий способ).

Молочнокислое брожение широко применяется в промышленности как для получения чистой молочной кислоты, так и для заквашивания в целях консервирования различных пищевых продуктов (простокваша, квас, кислая капуста, соленые огурцы, силосованный корм и пр.); оно вызывается деятельностью специальных молочнокислых бактерий разных видов, как Bacter lactis acidi, В. Delbrucki, В. bulgaricus и др. Молочнокислое брожение лучше всего идет при 30—37—40° в присутствии настоящих белков. Оно выражается простым уравнением

С6Н12О6 = 2 С3Н6О3,

но иногда осложняется образованием побочных продуктов.

Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, идет в анаэробных условиях (при отсутствии воздуха) с выделением водорода по уравнению

С6Н12О6 = С4Н8О2 + 2 СО2 + 2Н2;

оно очень распространено в природе и применяется в промышленности для получения масляной кислоты.

Лимоннокислое брожение. Лимонная кислота является промежуточным продуктом окисления сахара под влиянием разного вида плесеней - Aspergillus, Penicilium, Citromyces. Из них виды Citromyces в своей жизнедеятельности останавливаются на стадии лимонной кислоты, другие продолжают окисление до щавелевой кислоты и углекислоты, но при высоких концентрациях сахара и известных условиях питания, могут дать лимонную кислоту в преобладающем количестве. Лимоннокислое брожение может быть использовано для заводского производства лимонной кислоты.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.

Избранное