Какие продукты могут образоваться в результате брожения глюкозы
Брожение глюкозы – одна из основных реакций, с помощью которой возможно приготовление спиртных напитков. Она может осуществляться разными путями, в каждом из которых образуются индивидуальные продукты. Этот процесс играет ключевую роль во многих отраслях нашей жизни, начиная с кулинарии и приготовления винно-водочных изделий и заканчивая реакциями, протекающими в нашем организме.
История
Процессом брожения глюкозы и других сахаров пользовались ещё древние люди. Они ели немного подбродившую пищу. Такая еда была безопаснее, так как содержала спирт, в среде которого гибли многие вредные бактерии. В Древнем Египте и Вавилоне люди уже умели сбраживать многие сахаросодержащие напитки и молоко. Когда людям в конце 18 века удалось лучше изучить этот процесс, его виды и возможности улучшения, очень сильно качественно выросли такие отрасли промышленности, как квасо-, пивоварение и винно-водочная.
Виды брожения
Как ни странно, но этот процесс бывает разным. И различают виды брожения глюкозы по конечным продуктам. Таким образом, существует молочнокислое, спиртовое, лимоннокислое, ацетоновое, маслянокислое и ещё несколько других. Поговорим немного о каждом виде по отдельности. Молочнокислое брожение глюкозы – основной процесс при приготовлении такой продукции, как простокваша, сметана, кефир, творог. Оно также используется для консервации овощей и выполняет ключевую функцию в нашем организме: в условиях недостатка кислорода глюкоза превращается в конечный продукт – молочную кислоту, которая обуславливает боли в мышцах в момент тренировки и немного после неё.
Спиртовое брожение отличается тем, что в качестве конечного продукта образуется этиловый спирт. Оно происходит при помощи микроорганизмов – дрожжей. И играет ключевую роль в кулинарии, так как помимо основного продукта при спиртовом брожении глюкозы выделяется углекислый газ (этим и объясняется пышность дрожжевого теста).
Лимоннокислое брожение происходит, как нетрудно догадаться, с образованием лимонной кислоты. Происходит оно под действием определённого вида грибов и является частью цикла Кребса, который обеспечивает дыхание всех клеток нашего организма.
Ацетоно-бутиловое брожение очень схоже с маслянокислым. В результате него образуются масляная кислота, бутиловый и этиловый спирты, ацетон и углекислый газ. При маслянокислом брожении образуется лишь соответствующая названию кислота и углекислый газ.
Сейчас мы рассмотрим все типы подробнее, а начнём с самого основного – спиртового брожения глюкозы. Будут подробно разобраны все реакции и нюансы их протекания.
Спиртовое брожение
Расскажем немного больше про брожение глюкозы, уравнение которого: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2CO2. Что можно узнать из этой реакции? Мы имеем два продукта: этиловый спирт и углекислый газ. За счёт последнего мы и наблюдаем взбухание дрожжевого теста. А за счёт первого имеем возможность получить незабываемый вкус вина и винных напитков. Но на самом деле это лишь упрощённое уравнение. Полная реакция брожения глюкозы сложнее, поэтому давайте разберём это немного глубже.
Существует такой процесс, как гликолиз. Буквально его название переводится как “расщепление сахара”. Он происходит в организме, и его побочным продуктом является пировиноградная кислота, а основным – аденозинотрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в ходе этой реакции из другого соединения. Можно сказать, что АТФ является переносчиком энергии в организме, и фактически гликолиз служит для обеспечения нашего тела энергией.
Мы не зря коснулись этого процесса. На самом деле брожение очень схоже с гликолизом, так как первая стадия у них абсолютно одинаковая. Можно даже сказать, что реакция спиртового брожения глюкозы является продолжением гликолиза. Образовавшийся в ходе последнего пируват (ион пировиноградной кислоты) превращается в ацетальдегид (CH3-C(O)H) с выделением в качестве побочного продукта углекислого газа. После этого полученный продукт восстанавливается коферментом NADH, содержащимся в бактериях. Восстановление приводит к образованию этилового спирта.
Таким образом, реакция брожения глюкозы до этилового спирта выглядит так:
1) C6H12O6 = 2 С3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3 = CH3-COH + CO2
3) СН3-COH + NADH + H+ = C2H5OH + NAD+
NADH служит катализатором реакции, а ион NAD+ играет ключевую роль на ранней стадии гликолиза, и, образуясь в конце спиртового брожения, возвращается в процесс.
Перейдём к следующей разновидности исследуемого типа реакций.
Молочнокислое брожение глюкозы
От спиртового этот вид отличается тем, что происходит не под влиянием дрожжей, а с помощью молочнокислых бактерий. Поэтому мы имеем совершенно разные продукты. Молочнокислое брожение также происходит в наших мышцах при высоких нагрузках и недостатке кислорода.
Различают два вида этого процесса. Первый – гомоферментативное брожение. Если вы хоть раз слышали приставку “гомо”, то наверняка понимаете, что она означает. Гомоферментативное брожение – это процесс с участием одного фермента. На первой стадии происходит гликолиз и образуется пировиоградная кислота. Затем полученный пируват (в растворе эта кислота может существовать только в виде ионов) подвергается гидрированию при помощи NADH+H и лактатдегидрогеназы. В результате продуктом восстановления является молочная кислота, которая составляет около 90% от всех получившихся в ходе реакции продуктов. Это соединение, однако, тоже может образовываться в виде двух разных изомеров: D и L. Эти типы отличаются тем, что являются зеркальными отражениями друг друга и, вследствие этого, по-разному воздействуют на наш организм. То, какой изомер будет образовываться в большей степени, определяет строение лактатдегидрогеназы.
Перейдём ко второму типу молочнокислого брожения – гетероферментативному. В этом процессе участвуют несколько ферментов, и он идёт по более сложному пути. Из-за этого в ходе реакции образуется больше различных продуктов: кроме молочной кислоты, мы можем найти там уксусную кислоту и этиловый спирт.
Вот мы и рассмотрели молочнокислое брожение. Это процесс, благодаря которому мы можем наслаждаться вкусом творога, простокваши, ряженки и кефира. Подведём итоги и запишем в общем виде реакцию молочнокислого брожения глюкозы: C6H12O6 = 2 C3H6O3 . Конечно, это упрощённая схема процесса гомоферментативного брожения, так как даже схема гетероферментативного процесса будет очень сложной. Химики до сих пор изучают молочное брожение глюкозы и выясняют полные его механизмы, поэтому нам ещё есть куда стремиться.
Лимоннокислое брожение
Реакции этого вида брожения происходят, как и при спиртовом, под действием грибов определённого штамма. Полный механизм этой реакции ещё не до конца изучен, и мы можем полагаться только на некоторые упрощения. Однако есть предположения, что начальная стадия процесса представляет собой гликолиз. Потом пировиноградная кислота превращается по очереди в различные кислоты и доходит до лимонной. Вследствие такого механизма в реакционной среде накапливаются другие кислоты – продукты неполного окисления глюкозы.
Этот процесс происходит под влиянием кислорода, и в общем виде его можно записать следующим уравнением: 2С6Н12O6 +3О2 = 2С6Н8О7 + 4Н2О. До того как этот вид брожения открыли, люди добывали лимонную кислоту исключительно выжимкой плодов соответствующего дерева. Однако в лимоне этой кислоты не более 15%, поэтому этот способ оказался нецелесообразен, и после открытия этой реакции всю кислоту начали получать методом брожения.
Маслянокислое брожение
Перейдём к следующему типу. Этот вид брожения происходит под действием маслянокислых бактерий. Они широко распространены, а процесс, который они вызывают, играет ключевую роль в биологически важных циклах. С помощью этих бактерий и происходит разложение мёртвых организмов. Масляная кислота, образующаяся в ходе реакций, привлекает своим запахом падальщиков.
Этот вид брожения используется в промышленности. Как нетрудно догадаться, им получают масляную кислоту. Её сложные эфиры широко используются в парфюмерии и имеют приятный запах, в отличие от неё самой. Однако не всегда маслянокислое брожение приносит пользу. Оно может вызывать порчу овощей, консервов, молока и других продуктов. Но это может произойти, если только в продукт попали маслянокислые бактерии.
Разберём механизм маслянокислого брожения глюкозы. Реакция его выглядит так: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H2. В результате также образуется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность маслянокислых бактерий.
Ацетоно-бутиловое брожение
Этот тип очень схож с маслянокислым. Бродить таким способом может не только глюкоза, но и глицерин, и пировиноградная кислота. Этот процесс можно разделить на две стадии: первая (иногда её называют кислотной) представляет собой фактически маслянокислое брожение. Однако помимо масляной, выделяется ещё и уксусная кислота. В результате брожения глюкозы таким способом мы получаем продукты, которые идут во вторую стадию (ацетонобутиловую). Так как весь этот процесс происходит также под действием бактерий, то при подкислении среды (повышении концентрации кислот) происходит выделение специальных ферментов бактериями. Они индуцируют реакцию превращения продуктов брожения глюкозы в н-бутанол (бутиловый спирт) и ацетон. Помимо этого, может образовываться некоторое количество этанола.
Другие виды брожения
Помимо перечисленных пяти видов этого процесса, существуют ещё несколько. Например, это уксуснокислое брожение. Оно тоже происходит под действием многих бактерий. Этот вид брожения может использоваться в полезных целях при мариновании. Он предохраняет пищу от болезнетворных и опасных бактерий. Ещё различают щелочное или метановое брожение. В отличие от предыдущих типов, этот вид брожения может осуществляться для большинства органических соединений. В результате большого количества сложных реакций, органические вещества расщепляются на метан, водород и углекислый газ.
Биологическая роль
Брожение – самый древний способ добывания энергии живыми организмами. Одни существа производят органические вещества, попутно получая энергию, а другие разрушают эти вещества, тоже получая при этом энергию. На этом построена вся наша жизнь. И в каждом из нас брожение в том или ином виде протекает. Как мы уже говорили выше, молочнокислое брожение происходит в мышцах при интенсивной тренировке.
Что ещё почитать?
Если вас заинтересовала биохимия этого очень интересного процесса, стоит начать со школьных учебников по химии и биологии. Во многих вузовских учебниках изложен настолько подробный материал, что после их прочтения вы сможете стать просто экспертом в этой области.
Заключение
Вот мы и подошли к концу. Разобрали все виды брожения глюкозы и общие принципы протекания этих процессов, которые играют очень важную роль как в функционировании живых организмов, так и в нашей промышленности. Вполне возможно, что в будущем мы откроем ещё несколько видов этого древнего процесса и научимся использовать их на пользу себе, как сделали с уже известными нам.
Источник
Материал содержит информацию о товарах, употребление которых может навредить вашему здоровью.
Признайтесь, вы не задумывались, что спиртовое брожение – это ничто иное, как клеточное дыхание микроорганизмов, населяющих сусло, сделанное из сахаров, дрожжей и воды. В результате углероды (простые сахара, такие как глюкоза, сахароза) распадаются на этанол и углекислый газ.
Углекислоту, как побочный и ненужный нам продукт, мы отправляем в атмосферу через гидрозатвор или неплотно прикрытую емкость. А этанол бережно превращаем в самогон, путем испарения из браги и конденсации паров до жидкого состояния.
В процессе брожения накапливаются также «побочные продукты», которыми являются метиловый спирт, сложные эфиры, ацетон, сивушные масла. Как утверждают знатоки, именно сивушные масла формируют органолептику – вкус и аромат конечного продукта.
Но только если находятся в минимальных количествах. При переизбытке же это дурно пахнущее и очень вредное пойло, употребление которого – прямой путь к циррозу.
Роль и виды дрожжей
Еще в древности заметили, что при благоприятных условиях опавшие фрукты не портятся, а приобретают другие свойства и особенный пьянящий вкус. Съешь такой плод и мир вокруг преображается.
Да и сейчас теплой осенью, когда бродят упавшие на землю фрукты, в лес лучше не соваться, чтобы не быть затоптанными пьяными лосями или оленями, которые в угаре носятся, налетая на деревья, и ломают рога в состязаниях, доказывая, кто в лесу круче. Совсем как «перебравшие» мужики.
Это действие крошечных микроорганизмов – дрожжевых грибков, постоянно живущих на плодах.
Именно эти, «дикие» дрожжи преобразуют сок в вино и с их помощью можно приготовить более крепкое спиртное.
Итак, дрожжи, пригодные для постановки браги, делятся на виды:
- Дикие, живущие на плодах и ягодах. Именно они дают продукт с максимальной органолептикой (вкусом и ароматом) сырья, из которого приготовлен. Минус – в длительном брожении, которое может продолжаться до полутора месяцев.
- Винные покупные. С их помощью получается отличный самогон, без постороннего дрожжевого запаха. Но также относятся к «долгоиграющему» виду.
- Прессованные. Делятся на хлебопекарские и спиртовые. Хлебопекарские обеспечивают крепость браги на уровне 10-12°, спиртовые могут переработать сахара до содержания алкоголя 16-18°.
- Сухие имеют такое же действие, но есть среди них еще турбо дрожжи, способные довести крепость браги до 20°.
От свежести и качества дрожжей зависит не только крепость будущего напитка, но и быстрота созревания бражки. На сухих и прессованных достичь готовности к перегонке удается за 3-7 дней, на винных процесс растягивается до трех-четырех недель, а на диких может длиться до полутора месяцев.
Смотрите также: Спиртовые дрожжи для самогона
Общие условия брожения
Для качества «полуфабриката», который следует еще перегнать в самогонном аппарате (дистилляторе или ректификаторе) важную роль играют не только дрожжи, но и совокупность факторов, правильный подбор ингредиентов. Рассмотрим самые важные из них.
Сахар
Без сахара невозможно создать алкоголь. Однако, говоря «сахар» мы имеем в виду не только белый кристаллический продукт, но и простые сахара – глюкозу и фруктозу, в которые дрожжи сначала переводят имеющиеся в сусле сложные сахара, а уже затем трансформируют их в спирт. Так и происходит брожение глюкозы.
Крахмал, содержащийся в картофеле и зерновых культурах, также может быть трансформирован в простые сахара, поэтому брагу ставят не только на сахаре, но и на других, крахмалосодержащих, продуктах. Но «напрямую» отобрать эти сахара из продуктов дрожжи не в состоянии, поэтому необходимо перевести их в пригодную для усвоения форму – осахарить.
Это делается либо горячим способом с помощью солода, либо холодным, при котором вносятся синтетические ферменты, расщепляющие крахмал в удобную для переработки форму.
Кроме того, можно поставить брагу и на чистой глюкозе (простой сахар), получив хороший выход спирта.
Но какие бы сахара вы не выбрали, главным остается принцип качества
Например, сегодня нередки нарекания на то, что применив дешевый (казалось бы – выгодный) сахар, винокуры не получают ожидаемый выход спирта. Поэтому – покупайте продукты для постановки браги в проверенных надежных местах.
Температура
Важное место в процессе брожения занимает температура как сусла, так и помещения, в котором находится бродильная емкость. Ориентироваться необходимо на дрожжи. Для них «рабочая» температура колеблется от 18 до 35°С, но доводить до этих пределов не рекомендуется, причины читаем далее.
При низкой температуре брожение становится вялым, удлиняется его время, порой не весь сахар перерабатывается, получается недоброд, который может плавно перейти в прокисание сусла, поскольку дрожжи впадают в анабиоз.
Кроме того, долгое брожение неприятно излишним накоплением в сусле вредных веществ, которые затем перейдут в самогон. Чтобы вернуть активность дрожжей, достаточно поднять температуру сусла.
При температуре выше +35°С дрожжи могут погибнуть, так и не дав нужного количества алкоголя. Вернуть их к жизни уже не удастся, нужно будет вносить новую порцию свежих.
Поэтому винокуры единодушны: лучшая температура, при которой должна созревать брага, находится в пределах 23-28°С. Тогда брожение будет бурным, быстрым и можно будет получить то количество спирта, которое планировалось изначально.
Кислотность и микроэлементы
Среда, в которой происходит спиртовое брожение, должна быть слабокислой (кислотность на уровне 4 -4,5 рН). Именно тогда брожение происходит правильно, а развитие патогенных микроорганизмов подавляется. В нейтральной среде брага также зреет неплохо, но патогенная микрофлора активно развивается. Щелочная брага хороша для образования глицерина и уксусного альдегида, которые в самогоне и вовсе не нужны.
Важно. Для «корректировки» кислотности нужно добавить немного лимонной кислоты при инвертировании сахара или долить кислого сока. Если среда слишком кислая, добавляют немного мела.
Кроме кислотности важно и наличие микроэлементов – питательной среды для дрожжей. Особенно они нужны на начальной стадии, когда те активно размножаются. Как правило, в зерновом или фруктовом сырье достаточно азота, фосфора и витаминов. И ему подкормка не нужна. А вот сахарная брага ее требует.
Содержание спирта
Как мы уже упоминали, готовая к перегонке брага содержит от 10 до 20% спирта в зависимости от используемых дрожжей. Значит ли это, что при постановке браги на турбо дрожжах можно увеличить количество сахара? Да, но тоже в разумных пределах.
Плотность браги (количество в ней сахара) при постановке должна составлять на обычных и спиртовых дрожжах 20-22%, на турбо – до 30%, но не выше, иначе дрожжи не смогут его весь переработать и больше самогона вы все равно не получите.
Проверяется плотность сахаромером (это такой приборчик, похожий на спиртометр).
Чтобы узнать крепость браги, нужно сразу после того, как сусло готово, отлить немного и замерить его плотность. Цифру записать или запомнить.
В процессе брожения можно еще пару раз замерить, и только когда сахарометр покажет “0”, брагу можно перегонять – весь сахар в ней уже переработан в спирт.
А определить крепость браги вам поможет специальная таблица, в которой учтена начальная и конечная плотность бражки.
Внимание. Даже если у вас нет сахарометра, для получения 20% плотности нужно взять 1 кг сахара и 4 литра воды.
Добавить на это количество 100 г сырых (20 г – сухих) дрожжей Перегонять, когда сусло перестанет бродить и будет горьким на вкус. При этом из 1 кг сахара получится 1 литр самогона крепостью около 45°.
Советуем почитать: Способы определения крепости спирта
Микроэлементы
Учтите, что в спиртовых дрожжах уже содержатся все необходимые для правильного брожения микроэлементы и добавлять что-то, если и так брожение отличное, нет никакой надобности. Винные дрожжи требуют некоторых добавок, таких как немного сока, ягод. Но этим не ограничиваются.
Что добавляют:
- суперфосфат, мочевину (удобрение карбамид), любое комплексное удобрение для огорода – 2 грамма на каждый килограмм сахара;
- куриный помет (да, кто-то добавляет и его, как источник микроэлементов) – 2-3 г на литр бражки. Но все же стоит помнить: мы ведь не огород подкармливаем…;
- нашатырный спирт – 1 г из расчета на 2 л сусла;
Мы не зря упомянули эти вещества, поскольку они весьма действенны, активно влияют на брожение и быстроту вызревания браги. Но в основном их используют при производстве самогона на продажу, когда дело «поставлено на поток», и «зелья» нужно много и быстро.
- очень хорошая подкормка – солод. Даже немного солода, добавленного в брагу, сразу делают ее питательной;
- немного барды от прошлого перегона (процентов 10% от объема сусла) также понравится дрожжам, поскольку в ней много микроэлементов;
- ложка томатной пасты на 3 литра сусла также активизирует процесс и помогает быстрому вызреванию;
- несколько кусков хлеба служат хорошим питанием для дрожжей.
Но чаще всего минеральные подкормки не требуются, если только вы не используете дистиллированную воду. В обычной (той же водопроводной отстоянной) микроэлементов и так достаточно, они и «поедаются» дрожжами.
Совет. Делайте сами правильную брагу без химии и пейте свой самогон, ведь только в этом случае вы знаете, из чего он сделан.
Ставьте лайки и рекомендуйте статью своим друзьям-винокурам через соцсети.
Еще по теме: Изготовление и применение спиртовых дрожжей
Источник