Бродіння є одним з найважливіших процесів, що відбуваються в навколишньому середовищі, суть якого зводиться до отримання енергії грибками і бактеріями для своєї життєдіяльності. Але, як і багато інші явища, людина навчилася використовувати його для задоволення своїх потреб. Бродіння – це не тільки отримання спиртовмісної продукції. В результаті бродіння людство отримує безліч видів харчової продукції. Сьогодні існують технології, що дозволяють отримувати харчовий пластик, одним з етапів яких є цей процес.
Поняття бродіння
Хімія і біологія трохи по-різному визначають цей процес. З точки зору хімії, бродіння – це реакції одержання етанолу та інших продуктів під дією ряду мікроорганізмів, наприклад, дріжджів. Біологія уточнює, що це анаеробне розщеплення вуглеводів (у тому числі глюкози), що відбувається під впливом мікроорганізмів (або отриманих з них ферментів). Воно являє собою багатостадійний процес, який охоплює окисно-відновні реакції, причому з одного і того ж субстрату виходять і донори та акцептори електронів.
Зброджування здатні піддаватися багато речовин, проте частіше використовують саме вуглеводи. При цьому утворюються не тільки основні речовини, але і такі продукти, як ацетон, вуглекислий газ, водень і ін
Біологічна роль бродіння
Значення цього явища для живих організмів велике. В результаті сукупності хімічних реакцій при бродінні утворюються:
- молекули АТФ із запасом енергії, необхідної для підтримання життя мікроорганізмів;
- хімічні речовини, необхідні для синтезу власних білків, цукрів, різних нуклеїнових кислот і т. д.
Вважається, що основні три види бродіння були відкриті і описані Л. Пастером у 19 столітті. Однак продукти використовуються людством з незапам’ятних часів.
Види бродіння
Найчастіше в промислових масштабах використовуються спиртової, молочнокислий і маслянокислый види. Біохімією розглядаються також пропионовокислое, лимоннокислое, ацетоно-бутиловое та інші різновиди. Зрозуміти, яке бродіння буде йти в тому чи іншому випадку, можна по виду використовуваних мікроорганізмів.
Так, спиртове бродіння збуджують пекарські дріжджі (Saccharomyces cerevisiae), бактерії роду эрвиний (Erwinia amylovora) і сарцин (Sarcina ventriculi). Маслянокислое здійснюється облігатно-анаеробними бактеріями роду Clostridium. Збудниками бродіння по молочнокислому напрямом є бактерії Streptococcus cremoris, коки (рід Lactococcus) і палички (рід Lactobacillus).
Спиртове бродіння
Даний процес включає 12 стадій і має досить складний механізм. При бродінні глюкози утворюється 2-оксопропановая кислота, частіше звана піровиноградної. Цю стадію проходить глюкоза при будь-якому типі зброджування. Далі вона піддається дії ферментів і перетворюється на ацетальдегід, який відновлюється до етанолу.
Скорочене рівняння спиртового бродіння має вигляд:
С6Н12О6 ―> 2С2Н5ОН + 2СО2
З урахуванням виділилася енергії його ж можна записати наступним чином:
C6Η12O6 + 2Η3PO4 + 2АДФ ―> 2C2Η5OΗ + 2CO2 + 2АТФ
Таким чином, з однієї молекули глюкози запасається дві молекули АТф.
Молочнокисле бродіння
В залежності від групи мікроорганізмів, що беруть участь у цьому процесі, бродіння може піти двома шляхами. Гомоферментативные молочно-кислі бактерії переважно призводять до утворення молочної кислоти, її вміст у продуктах становить до 90 %. Це найбільш примітивний шлях бродіння, якому піддаються моно – і дисахариди (глюкоза, лактоза). Для нього справедливо рівняння реакції:
2С6Н12О6 ―> 2СН3СН(ОН)СООН + Q
Гетероферментативні молочно-кислі бактерії крім молочної кислоти дають в якості побічних продуктів етанол, оцтову кислоту, вуглекислий газ та інші речовини. Можна записати наступну рівняння бродіння:
2С6Н12О6 ―> 2СН3СН(ОН)СООН + СООН(СН2)2СООН + С2Н5ОН + СН3СООН + Q
Маслянокислое бродіння
Даний тип бродіння знайомий багатьом господиням, оскільки саме він призводить до псування харчових продуктів. Маслянокислі бактерії викликають згіркнення вершкового масла, закисання квашеної капусти і маринованих грибів при недостатній їх стерилізації. Побічними продуктами при цьому бродінні є вуглекислий газ і водень. Також можливе скупчення ацетону, етанолу, бутанолу та оцтової кислоти.
Маслянокислому бродінню здатні піддаватися полісахариди, тому для парфумерної промисловості її отримують з картоплі, зерна і меляси (відходу при виробництві цукру). Сама кислота має неприємний запах, а от її ефіри приємно пахнуть квітами і фруктами. Для маслянокислого бродіння можна записати наступне рівняння реакції:
2С6Н12О6 ―> СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н 2 + Q
Лимоннокислое бродіння
Як і інші види бродіння, це відбувається через стадію утворення піровиноградної кислоти, яка потім включається в цикл Кребса. Перетворення глюкози в лимонну кислоту проходить багато стадій, але сумарно його можна виразити рівнянням:
2С6Н12О6 + 3О2―> 2С6Н8О7 + 4Н2О
Промислове одержання лимонної кислоти заснована на біохімічних реакціях з застосуванням гриба Aspergillus niger в кислому середовищі. Якщо ж середовище буде нейтральною, то в якості побічного продукту буде накопичуватися ще і щавлева кислота.
Бродіння в харчовій промисловості
Процеси ферментації широко використовують для отримання спиртовмісних рідин не тільки в промислових масштабах. В залежності від сировини та технології отримують напої з різним вмістом в них етанолу. Оскільки спиртове бродіння глюкози супроводжується виділенням СО2, то існує ряд продуктів, для яких характерно його виділення в процесі вживання. До них можна віднести пиво і ігристі вина (шампанське). Технологією виробництва інших передбачається своєчасне відведення утворюється при бродінні газу, щоб запобігти його накопичення.
Для одержання кисломолочних продуктів застосовують відповідні бактерії. Завдяки цьому типу бродіння людство дізналося такі продукти, як сметана, кефір, йогурт, кисле молоко, сир. Цей процес також важливий у приготуванні квасу. Завдяки молочнокислим бактеріям, які пригнічують ріст патогенної мікрофлори, є можливим приготування квашених овочів (капусти, огірків, томатів). Крім того, вони сприяють зниженню рН і збереження м’ясних продуктів, тому молочнокислі бактерії застосовують при виготовленні сиров’ялених сортів ковбаси, наприклад, салямі.
Дуже важливий процес спиртового бродіння для хлібопекарської та кондитерської промисловості. Вуглекислий газ, що виділяється при взаємодії цукру з дріжджами, при расстаивании і випіканні хлібобулочних виробів розширюється. Це призводить до утворення великих пір в тесті, за рахунок чого воно стає пишним.
Застосування ферментації
Молочнокислі бактерії використовують у шкіряному виробництві. Для виготовлення деяких видів хутряних шкурок (каракуль, кріт, білка) використовують їх квашення з житнім борошном або кефіром. Це призводить до розм’якшення і відшаровування волокон дерми.
Завдяки молочнокислим бактеріям і продуктів їх життєдіяльності отримують біорозкладаний пластик полилактид. З нього, у свою чергу, виготовляють упаковку для харчових продуктів і медичні вироби з коротким строком служби (нитки і штифти).
Також вони відіграють важливу роль у запасании кормів для худоби у вигляді силосу. Для цього бадилля від картоплі, буряка, кукурудзи, люцерни спресовують з додаванням мурашиної кислоти. Без доступу повітря в такому субстраті починається контрольований процес молочнокислого бродіння.
У сучасному світі боротьба за чистоту навколишнього середовища є однією з найважливіших завдань суспільства. Процеси зброджування здатні допомогти утилізувати відходи тваринництва і при цьому отримати цінний біогаз, який можна використовувати для опалення тих самих ферм. Для цього використовуються різні штами бактерій на різних етапах його виробництва. Спочатку кислотоутворюючі бактерії переробляють органічні речовини летючі кислоти. А потім метанообразующие бактерії з органічних кислот виробляють метан. В якості побічних продуктів в біогазі містяться сірководень, окис вуглецю.
