Бродіння
У 1850 р. Пастер встановив, що виноградна кислота складається з двох ізомерних форм, що мають одну і ту ж хімічну формулу, але кристалізуються у вигляді кристалів, форми яких ставляться один до одного, як несиметричний предмет до свого дзеркального відображення. Ці форми відрізняються один від одного певним фізичним ознакою, саме, - протилежним обертанням площини поляризації. Явище це було пояснено Вант-Гоффом в 1874 р. з точки зору просторового розташування атомів.Пастер встановив, що пліснявий гриб Penicillium glaucum, розвиваючись на розчинах виноградної кислоти, в першу чергу споживає одну з двох форм, саме правообертальні, зустрічається у вигляді природного продукту. Від ізомерії виноградної кислоти він перейшов до ізомерії амілові спиртів, що утворюються при спиртовому бродінні. Це змусило його звернутися до вивчення бродінь і їх природи.
У 1855 р. Пастер виявив, що сирий аміловий спирт бродіння складається з двох хімічно тотожних амілові спиртів: оптично неактивного і здатного обертати площину поляризованого світла. Вже в попередніх своїх кристалографічних дослідженнях Пастер прийшов до узагальнення, що оптично активні речовини властиві тільки органічного світу та їх утворення пов'язане з процесом життя. Звідси Пастер зробив логічний висновок, що і оптично активний аміловий спирт виникає в процесі бродіння за участю живого організму. Якщо це правда, то бродіння є процес, пов'язаний з життям, сам же фермент повинен бути живим організмом. У результаті довгого ряду блискучих досліджень Пастером була створена теорія бродіння.
Сам Пастер говорить: "Залучений, навіть, вірніше сказати, вимушений логічним розвитком моїх досліджень, я перейшов від кристалографії і молекулярної хімії до вивчення збудників бродіння".
Оскільки фрукти зброджуються в своєму натуральному стані, бродіння з'явилося раніше людської історії. Однак, люди з деяких пір навчилися контролювати процес бродіння. Є вагомі докази того, що люди зброджують напої в Вавілоні біля 5000 р. до н.е. , В Давньому Єгипті близько 3000 р. до н.е. , В доіспанської Мексиці близько 2000 р. до н.е. і в Судані біля 1500 р. до н.е. Також існують дані про дріжджовому хлібі в Давньому Єгипті близько 1500 р. до н.е. і зброджування молока у Вавілоні біля 3000 р. до н.е. Китайці, ймовірно, першими стали зброджувати овочі.
Життя мікробів можлива і без доступу кисню повітря. Енергія, необхідна для життєдіяльності організму, в цих умовах утворюється в результаті процесів бродіння. Найбільш поширені види бродінь, в процесі яких відбувається розпад органічних речовин (переважно Сахаров) під впливом мікроорганізмів, що представляє сукупність окислювально-відновних реакцій. Бродіння ніколи не приводять до повного окислювання органічних речовин. Багато характерні форми бродіння протікають без участі кисню повітря - анаеробно.
Оскільки вільний кисень, що є на нашій планеті, утворився в результаті фотосинтезу, що виник на більш пізніх етапах розвитку життя на Землі, абсолютно очевидно, що анаеробний спосіб добування енергії - бродіння - більш давній, ніж процес дихання.
Бродіння відомо людям з незапам'ятних часів. Тисячоліттями людина користувалася спиртовим бродінням при виготовленні вина. Ще раніше було відомо про молочнокислом бродінні. Люди вживали в їжу молочні продукти, готували сири. При цьому вони не підозрювали, що ці процеси відбуваються з допомогою мікроорганізмів. Термін "бродіння" був введений голландським алхіміком Ван Хельмонтом в XVII ст. для процесів, що йдуть з виділенням газів (fermentatio - кипіння). Потім в XIX ст. основоположник сучасної мікробіології Луї Пастер показав, що бродіння є результатом життєдіяльності мікробів, і встановив, що різні бродіння викликаються різними мікроорганізмами.
Спиртове бродіння - це процес окислення вуглеводів, в результаті якого утворюються етиловий спирт, вуглекислота й виділяється енергія.
Зброджування цукрів відомо з глибокої давнини. Протягом століть пивовари і винороби використовували здатність деяких дріжджів викликати спиртове бродіння, в результаті якого цукру перетворюються на спирт.
Бродіння проводять головним чином дріжджі, а також деякі бактерії і гриби. У різних країнах для отримання спирту використовують різні мікроорганізми. Наприклад, у Європі використовують в основному дріжджі з роду Saccharomyces, в Південній Америці - бактерії Pseudomonas lindneri, в Азії - мукорових гриби.
Зброджувати можуть лише вуглеводи, до того ж дуже вибірково. Дріжджі зброджують тільки деякі 6-вуглецеві цукру (глюкозу, фруктозу, манозу).
Схематично спиртове бродіння може бути зображено рівнянням
C 6 H 12 O 6 -> 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 23,5 Ч10 4 дж
глюкоза -> етиловий спирт + вуглекислота + енергія
Процес спиртового бродіння - багатоступінчастий, що складається з ланцюга хімічних реакцій. Перетворення глюкози до утворення піровиноградної кислоти відбуваються так само, як і при диханні. Ці реакції відбуваються без участі кисню (анаеробно). Далі шляхи дихання і бродіння розходяться.
При спиртовому бродінні піровиноградна кислота перетворюється в кінцевому підсумку на спирт і вуглекислоту. Ці реакції протікають у дві стадії. Спочатку від пірувату відщеплюється СО2 і утворюється оцтовий альдегід, потім оцтовий альдегід приєднує водень, відновлюючись в етиловий спирт. Всі реакції катализируются ферментами. У відновленні альдегіду бере участь НАД · H 2.
Зазвичай при спиртовому бродінні, крім головних продуктів, утворюються побічні. Вони досить різноманітні, але присутні в невеликій кількості: аміловий, бутиловий та інші спирти, суміш яких називається сивушним маслом - з'єднання, від Котеров залежить специфічний аромат вина. Освіта побічних речовин пов'язано з тим, що перетворення глюкози частково йде іншими шляхами.
Біологічний сенс спиртового бродіння полягає в тому, що утворюється певна кількість енергії, яка запасається у вигляді АТФ, а після цього витрачається на всі життєво необхідні процеси клітини.
Молочнокисле бродіння. При молочнокислом бродінні кінцевим продуктом є молочна кислота.
З цим бродінням люди знайомі здавна. Сквашування молока, приготування кисляку, кефіру, квашення овочів - результати молочнокислого зброджування цукру молока або вуглеводів рослин. Цей вид бродіння здійснюється за допомогою молочнокислих бактерій, які поділяються на дві великі групи (в залежності від характеру бродіння): гомоферментативное, що утворюють з цукру тільки молочну кислоту, і гетероферментативних, що утворюють, окрім молочної кислоти, спирт, оцтову кислоту, вуглекислий газ.
Гомоферментативное молочнокисле бродіння викликають бактерії роду Lactobacillus і стрептококи. Вони можуть зброджувати різні цукри з 6-ю (гексози) або 5-ю (пентози) вуглецевими атомами, деякі кислоти. Однак коло зброджуваний ними продуктів обмежений.
У молочнокислих бактерій немає ферментативного апарату для використання кисню повітря. Кисень для них або байдужий, або пригнічує розвиток.
Молочнокисле бродіння може бути описано рівнянням:
C 6 H 12 O 6 -> 2CH 3 · CHOH · COOH + 21,8 Ч10 4 дж глюкоза -> молочна кислота + енергія, С у М 12 О 6 -> 2CH 8-CHOH-COOH +21,8-104 дж.
Процес утворення молочної кислоти надзвичайно близький до процесу спиртового бродіння. Глюкоза також розщеплюється до піровиноградної кислоти. Але потім її декарбоксилювання (відщеплення CO 2), як при спиртовому бродінні, не відбувається, тому що молочнокислі бактерії позбавлені відповідних ферментів. У них активні дегідрогенази (НАД). Тому піровиноградна кислота сама (а не оцтовий альдегід, як при спиртовому бродінні) приймає водень від відновленої форми НАД і перетворюється на молочну кислоту. У процесі молочнокислого бродіння бактерії отримують енергію, необхідну їм для розвитку в анаеробних умовах, де використання інших джерел енергії утруднено.
Гетероферментативних молочнокисле бродіння - процес більш складний, ніж гомоферментативное: зброджування вуглеводів призводить до утворення ряду сполук, що накопичуються в залежності від умов процесу бродіння. Одні бактерії утворюють, крім молочної кислоти, етиловий спирт і вуглекислоту, інші - оцтову кислоту; деякі гетероферментативних молочнокислі бактерії можуть утворювати різні спирти, гліцерин, маніт.
Гетероферментативних молочнокисле бродіння викликають бактерії роду Lactobacterium і роду Streptococcus. Хімізм цих бродінь вивчене не так добре, як спиртового або гомоферментативного молочнокислого бродіння.
Гетероферментативних бактерії утворюють молочну кислоту іншим шляхом. Остання стадія - відновлення піровиноградної кислоти до молочної - та ж сама, що й у випадку гомоферментативного бродіння. Але сама піровиноградна кислота утворюється при іншому розщепленні глюкози - гексозомонофосфатном. Вихід енергії набагато менше, ніж при спиртовому бродінні.
Гетероферментативних бактерії зброджують обмежене число речовин: деякі гексози (причому певної будови), пентози, сахароспирти і кислоти.
Молочнокисле бродіння широко використовується при виробленні молочних продуктів: кисляку, ацидофіліну, сиру, сметани. При виробництві кефіру, кумису поряд з молочнокислим бродінням, що викликається бактеріями, має місце і спиртове бродіння, що викликається дріжджами. Молочнокисле бродіння відбувається на першому етапі виготовлення сиру, 'потім молочнокислі бактерії змінюються пропіоновокислі.
Молочнокислі бактерії знайшли широке застосування при консервації плодів і овочів, в силосуванні кормів. Чисте молочнокисле бродіння застосовується для отримання молочної кислоти в промислових масштабах.
Молочна кислота знаходить широке застосування у виробництві шкір, фарбувальній справі, при виробленні пральних порошків, виготовленні пластмас, у фармацевтичній промисловості і в багатьох інших галузях. Молочна кислота також потрібна в кондитерській промисловості і для приготування безалкогольних напоїв.
Маслянокислое бродіння. Перетворення вуглеводів з утворенням масляної кислоти було відомо давно. Природа маслянокислого бродіння як результат життєдіяльності мікроорганізмів була встановлена Луї Пастером в 60-х роках минулого століття.
Збудниками бродіння є маслянокислі бактерії, що одержують енергію для життєдіяльності шляхом зброджування вуглеводів. Вони можуть зброджувати різноманітні речовини - вуглеводи, спирти і кислоти, здатні розкладати і зброджувати навіть високомолекулярні вуглеводи - крохмаль, глікоген, декстрини.
Маслянокислое бродіння в загальному вигляді описується рівнянням:
C 6 H 12 O 6 -> CH 3 · CH 2 · COOH + 2CO 2 + 2H 2 глюкоза -> масляна кислота
С в Н 12 О 6 -> 2CH 8-CHOH-COOH +21,8-104 дж
При цьому бродінні накопичуються різні побічні продукти. Поряд з масляною кислотою, вуглекислим газом і воднем утворюються етиловий спирт, молочна та оцтова кислоти.
Деякі маслянокислі бактерії, крім того, утворюють ацетон, бутанол і ізопропіловий спирт.
Бродіння починається з процесу фосфорилювання глюкози і далі йде по гликолитическому шляху до стадії утворення піровиноградної кислоти. Потім утворюється оцтова кислота, яка активується ферментом. Після чого при конденсації (з'єднанні) з двууглеродного з'єднання виходить четирехуглеродная масляна кислота. Таким чином, при маслянокислом бродінні відбувається не тільки розкладання речовин, але і синтез.
За даними В.М. Шапошникова, в маслянокислом бродінні розрізняються дві фази. У першій паралельно зі збільшенням біомаси накопичується оцтова кислота, а масляна кислота утворюється переважно в другій фазі, коли синтез речовин тіла сповільнюється.
Маслянокислое бродіння відбувається в природних умовах в гігантських масштабах: на дні боліт, в заболочених грунтах, мулах і всіх тих місцях, куди обмежений доступ кисню. Завдяки діяльності маслянокислих бактерій розкладаються величезні кількості органічної речовини.
Спиртове, гомоферментативное молочнокисле і маслянокислое бродіння є основними типами бродінь. Всі інші види бродінь представляють собою комбінацію цих трьох типів. Так, наприклад, пропіоновокислі бродіння, що грає важливу роль при виробництві сирів і супроводжується накопиченням пропіонової і оцтової кислот і вуглекислого газу, може розглядатися як комбінація гомоферментативного молочнокислого і спиртового бродінь. Бродіння клітковини і пектинових речовин є різновидами маслянокислого бродіння.
Отже, три основні типи бродіння органічно пов'язані між собою - початкові шляху розкладання вуглеводів у них однакові.
Процеси дихання і бродіння є основними джерелами енергії, необхідної мікроорганізмам для нормальної життєдіяльності, здійснення процесів синтезу найважливіших органічних сполук.
Основна користь від бродіння - це перетворення, наприклад, соку у вино, зерна в пиво, а вуглеводів в двоокис вуглецю при бродінні хлібного тесту.
За Штейнкраузу (Steinkraus; 1995), бродіння їжі виконує п'ять головних завдань:
Збагачення видів їжі різноманітністю смаків, ароматів і текстури
Збереження істотної кількості їжі з допомогою молочної кислоти, алкоголю, оцтової кислоти і лужного бродіння
Біологічне збагачення їжі протеїнами, важливими амінокислотами, важливими жирними кислотами і вітамінами
Детоксифікація в процесі бродіння їжі
Зменшення часу та витрат на приготування їжі.У бродіння є кілька переваг, виняткових для їжі. У процесі бродіння можна отримувати важливі поживні речовини або усувати непітательние. За допомогою бродіння їжу можна довше зберігати, оскільки бродіння використовує енергію їжі і може створити умови, невідповідні для небажаних мікроорганізмів. Наприклад, при маринуванні кислота, що отримується з домінуючою бактерії, перешкоджає росту всіх інших мікроорганізмів.
Відомо, наскільки різноманітні продукти, що утворюються при так званому молочнокислом бродінні. Молочна кислота, слиз, маніт, масляна кислота, спирт, вуглекислота і водень з'являються або одночасно, або послідовно, і то в кількостях, вкрай різних і зовсім довільних. Рослина-фермент, що перетворює цукор на молочну кислоту, відмінно від того чи тих (так як їх є два), які викликають утворення слизового речовини; останні, у свою чергу, не породжують молочної кислоти. З іншого боку, що ці різні рослини-ферменти, якщо вони дійсно чисті, не можуть ні за яких обставин викликати появу масляної кислоти. Отже, повинен існувати особливий маслянокислі фермент (збудник маслянокислого бродіння). Повідомлення, яке представлене сьогодні Академії, стосується саме походження масляної кислоти при так званому молочнокислом бродінні.
Інфузорії живуть без вільного кисню і викликають бродіння.
Маслянокислим ферментом є інфузорія. Вони харчуються тим рослинним ферментом, який, за припущеннями, був збудником маслянокислого бродіння і який намагався знайти в вживаних рідких середовищах. Але не вдавалося вловити причину появи масляної кислоти, випливав з досліджень збігом між появою масляної кислоти і инфузориями і, навпаки, між інфузоріями і появою масляної кислоти. До цих пір це збіг приписувалося відповідним умовам, які представляє наявність масляної кислоти для життя цих маленьких тварин.
Багаторазові досліди переконали в тому, що перетворення цукру, маніту і молочної кислоти в масляну кислоту зобов'язана виключно діяльності цих інфузорій і що їх-то й треба визнати істинними збудниками маслянокислого бродіння.
Ось їх опис. Це маленькі циліндричні звичайно прямі палички з закругленими кінцями; вони зустрічаються поодинокими або з'єднаними в ланцюжка з двох, трьох, чотирьох і іноді навіть більше члеників. Товщина їх дорівнює в середньому 0,002 мм. Довжина окремих члеників варіює від 0,002 до 0,015 і 0,02 мм. Ці інфузорії переміщуються легкими рухами. Під час такого руху тіло їх залишається прямим або злегка хвилеподібно згинається. Вони крутяться, похитуючись, або викликають швидке тремтіння переднього або заднього кінця свого тіла. Якщо довжина паличок досягає 0,015 мм, то волнообразность їх рухів стає дуже помітною. Часто вони бувають вигнуті на одному кінці, іноді ж на обох. Але ця їхня особливість рідко зустрічається на початку їхнього життя.
Вони розмножуються поділом. Саме завдяки такому способу розмноження деякі з них приймають вигляд ланцюжка. Тог членик, який тягне за собою інші, виробляє іноді швидкі рухи, як би намагаючись звільнитися від наступних.
Хоча тіла цих вібріонів мають циліндричну форму, але часто здається, що вони складаються з ряду зерен або дуже коротких, ледь намічаються члеників. Це, без сумніву, перші рудиментарні органи цих маленьких тварин.
Ці інфузорії можна засівати так само, як засівають пивні дріжджі. Вони розмножуються, якщо середовище придатна для їх живлення. І, що особливо важливо відзначити, їх можна засівати в рідини, що містять лише цукор, аміак і фосфати, тобто кристалічні і, так би мовити, мінеральні речовини. У цих рідинах вони розмножуються, викликаючи в них явно виражене маслянокислое бродіння. Вага утворилися організмів значний, але, в порівнянні із загальною кількістю утворилася масляної кислоти, він нікчемний, як це зазвичай і буває зі всіма ферментами.
Існування інфузорій, що володіють властивістю ферментів (збудників бродіння), є вже само по собі фактом, вельми гідним уваги. Але до нього приєднується ще щось дивне явище, що ці маленькі тварини, ці інфузорії живуть і нескінченно розмножуються без того, щоб з'явилася необхідність доставляти їм хоча б маленькі кількості повітря або вільного кисню.
Ці інфузорії не тільки живуть без повітря, але повітря їх вбиває. Якщо пропускати деякий час через рідину, де вони розмножуються, струм чистої вуглекислоти, то це зовсім не відбивається на їх життєдіяльності і розмноження. Якщо ж при зовсім таких же умовах замінити на один або дві години струм вуглекислоти струмом атмосферного повітря, то всі організми гинуть і маслянокислое бродіння, пов'язане з їх існуванням, негайно ж зупиняється. Ми приходимо, отже, до двох положень.
1. Маслянокислим ферментом (збудником маслянокислого бродіння) є інфузорії.
2. Ці інфузорії живуть без вільного кисню. Це перший відомий приклад ферменту тваринного походження, а також і тварини, що живе без вільного кисню.
Сам собою напрошується висновок про близькість образу життя і властивостей цих маленьких тварин з образом життя рослинних ферментів у відношенні їх здатності жити без повітря, а також випливають з цього наслідків, усвідомлює причини бродіння. Однак я залишаю за собою право повернутися до ідей, які викликаються цими новими фактами, після того як мені вдасться висвітлити їх досвідом.