Какие продукты образуются при брожении 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
Брожение известно людям с незапамятных времен. Тысячелетиями человек пользовался спиртовым брожением при изготовлении вина. Еще раньше было известно о молочнокислом брожении. Люди употребляли в пищу молочные продукты, готовили сыры. При этом они не подозревали, что эти процессы происходят с помощью микроорганизмов.
История брожения
Термин «брожение» был введен голландским алхимиком Ван Хельмонтом в XVII в. для процессов, идущих с выделением газов (fermentatio — кипение). Затем в XIX в. основоположник современной микробиологии Луи Пастер показал, что брожение является результатом жизнедеятельности микробов, и установил, что различные брожения вызываются разными микроорганизмами
Поскольку фрукты сбраживаются в своем натуральном состоянии, брожение появилось раньше человеческой истории. Однако, люди с некоторых пор научились контролировать процесс брожения. Есть веские доказательства того, что люди сбраживали напитки в Вавилоне около 5000г. до н.э., в Древнем Египте — около 3000 г. до н.э., в до испанской Мексике около 2000 г. до н.э. и в Судане около 1500 г. до н.э. Также существуют данные о дрожжевом хлебе в Древнем Египте около 1500 г. до н.э. и сбраживания молока в Вавилоне около 3000 г. до н.э. Китайцы, вероятно, первыми стали сбраживать овощи.
Спиртовое брожение
Жизнь микробов возможна и без доступа кислорода воздуха. Энергия, необходимая для жизнедеятельности организма в этих условиях, образуется в результате процессов брожения. Наиболее распространены виды брожений, в процессе которых происходит распад органических веществ (преимущественно сахаров) под влиянием микроорганизмов, представляющий совокупность окислительно-восстановительных реакций. Брожения никогда не приводят к полному окислению органических веществ. Многие характерные формы брожения протекают без участия кислорода воздуха — анаэробно.
Спиртовое брожение — это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.
Сбраживание сахаров известно с глубокой древности. В течение столетий пивовары и виноделы использовали способность некоторых дрожжей вызывать спиртовое брожение, в результате которого сахара превращаются в спирт.
Процесс брожения
Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы. В различных странах для получения спирта используют различные микроорганизмы. Например, в Европе используют в основном, в Южной Америке — бактерии Pseudomonas lindneri, в Азии — мукоровые грибы.
Дрожжи рода Saccharomyces
Муковые грибы
Сбраживаться могут лишь углеводы, и притом, весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).
Схематично спиртовое брожение может быть изображено уравнением
C6H12O6 — > 2C2H5OH + 2CO2 + 23,5Ч104 Дж
глюкоза — > этиловый спирт + углекислота + энергия
Процесс спиртового брожения — многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пировиноградной кислоты происходят так же, как и при дыхании. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно). Далее пути дыхания и брожения расходятся.
При спиртовом брожении пировиноградная кислота превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту.
Обычно при спиртовом брожении, кроме главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь которых называется сивушным маслом — соединение, от которого зависит специфический аромат вина. Во многом благодаря сивушным маслам напиток приобретает вкус и аромат, но большинство из них вредны для человеческого организма. Поэтому необходимо очистить спиртное от вредных сивушных масел и оставить полезные. Образование побочных веществ связано с тем, что превращение глюкозы частично идет другими путями.
Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.
От сюда можно сделать вывод, что дрожжи не такие альтруисты, как многим могло бы показаться. Они поедают сахар с целью получения энергии для своей жизнедеятельности, а спирт, углекислый газ и другие примеси — это побочные продукты.
Условия жизнедеятельности дрожжей
Что же такое дрожжи и в каких условиях они обитают?Сахар, содержащийся в сусле, сбраживают в спирт дрожжами Saccharomyces cerevisiae, представляющими собой одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к классу аскомицетов (сумчатых грибов).
Обычно дрожжи размножаются почкованием и очень редко (при большом дефиците питательных веществ) спорообразованием.
К условиям, обеспечивающим нормальную жизнедеятельное дрожжей, относятся, прежде всего:
- температура и свет
- кислотность среды
- состав питательной среды
- доступ кислорода
- Температура и свет. Дрожжи живут и размножаются в широких температурных пределах, но для их нормальной жизнедеятельности необходима температура 25-29°С. При очень высокой или очень низкой температуре жизнедеятельность дрожжей ослабляется или прекращает. Максимальная температура для развития дрожжей 38°С, минимальная — 5°С. При температуре 50°С дрожжи погибают. Прямые солнечные лучи также отрицательно сказываются на жизни грибков, поэтому емкость ставят в темное место и накрывают плотной тканью. Это позволяет избежать перегрева и положительно сказываются на их работе.
- Кислотность среды. На жизнедеятельность дрожжей значительно влияет активная кислотность среды (рН). От величины рН зависит скорость поступления питательных веществ в клетку, активность ферментов, образование витаминов. Дрожжи сохраняют жизнеспособность в пределах рН среды от 2 до 8. Для их выращивания оптимальным является рН 4,8—5.
- Состав питательной среды. Сахарный песок — это углевод “сахароза”, состоящий из двух простых углеводов “глюкозы” и “фруктозы”. Дрожжевые клетки употребляют сахарозу только после ее предварительного разрушения на более мелкие части — глюкозу и фруктозу. Этот процесс происходит под действием собственного фермента дрожжей “инвертазы”.
В процессе выработки фермента дрожжи затрачивают энергию на разрыв цепочки углевода и для поддержания собственного организма потребляют питательные компоненты.
Так же кроме глюкозы и фруктозы дрожжам понадобятся азотистые соединения — витамины, макро и микроэлементы. Без них брожение будет проходить вяло, возможен недоброд браги, большое количество вонючих и вредных примесей, а так же увеличенное время брожения.
Для того что бы пополнить состав сахарной браги этими веществами необходимо дополнительно вносить их в виде подкормки. Ниже мы рассмотрим какие бывают подкормки. - Доступ кислорода. В анаэробной среде (без доступа кислорода) образуется максимальное количество алкоголя. При воздействии воздуха образуются уксуснокислые бактерии, которые начинают перерабатывать этиловый спирт на уксусную кислоту и воду. Это приводит к порче вина и уменьшению выхода самогона. Поэтому необходимо оградить сусло от доступа кислорода, но и одновременно с тем обеспечить отвод углекислого газа. Это решается с помощью гидрозатвора.
Однако, для размножения дрожжей нужен кислород. Обычно хватает того, что находится в воде. Но для ускоренного размножения после введения дрожжей можно оставить брагу открытой на несколько часов и усиленно перемешивать.
Подкормка браги
Подкормка бывает в виде готового «коктейля» — по примеру витаминных комплексов для людей, а также в виде натуральных добавок — солод, соки фруктов или ягод.
Я использую для сахарной браги готовую подкормку — питательную соль Enovit от компании Доктор Губер. Можно использовать любую подкормку из магазина виноделов или самогонщиков. Стоит она копейки и удобна в использовании.
По данным производителя:
Регулирует и активирует размножение дрожжей. Это приводит к раннему началу процесса ферментации и сокращению срока ферментации.
В случае недостатка питания, обусловленного характеристиками культурного сорта, либо перезрелостью винограда или светлых сусел — активатор Enovit® восстанавливает идеальный уровень аминного азота, а также сбалансированный состав витаминов и микроэлементов. В общем, то что нужно.
Если у вас есть соковыжималка, то можно выжать пару стаканов виноградного или дынного сока в брагу. Это заодно дополнительно улучшит органолептику конечного продукта. Яблочный сок, как и все фрукты которые содержат пектин, необходимо осветлять, иначе он вызовет образование метанола в браге. Либо использовать пектолитический фермент — Пектиназа. Его можно купить в свободном доступе в интернет магазинах.
При приготовлении сахарной браги можно просто внести сахар и подкормку в воду и мешать пока не растворится. На практике размешать сахар в пропорции 1:4 не так-то просто, придется мешать довольно долго. Для удобства внесения лучше всего сварить сахарный сироп, заодно убьем все споры микроорганизмов на поверхности сахара, тем самым обезопасим себя от скисания браги.
Помимо приготовления сиропа мы можем его про инвертировать. Что же такое инвертирование сахарного сиропа? Сейчас узнаем.
Как мы помним, дрожжи не едят сахар в чистом виде, а расщепляют его на более мелкие молекулы — глюкозу и фруктозу с помощью фермента. По сути это аналог желудочного сока у людей. При выделении этого сока брага и конечный продукт становятся заметно более вонючими. Что бы этого избежать, мы расщепим сахарозу вместо дрожжей при помощи лимонной кислоты. Грубо говоря, нарежем им сахар, чтобы удобнее было кушать. Дрожжам останется только перерабатывать глюкозу и фруктозу в спирт без выделения своего фермента. Обработка сиропа лимонной кислотой и является процессом инвертирования, а сироп прошедший его — инвертированным сиропом.
Ну что же, теперь у нас достаточно теоретических знаний и мы готовы приготовить нашу первую правильную сахарную брагу! Давайте займемся практикой. Приготовим, а потом еще и правильно перегоним ее в наш первый самогон! Как это сделать? Читайте в статье «Правильная сахарная брага» на моем сайте.
Источник