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 інших явищ, людина навчилася використовувати її для задоволення своїх потреб. Бродіння - це не тільки отримання спиртовмісної продукції. У результаті бродіння людство отримує безліч видів харчової продукції. Сьогодні існують також 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 отримання етанолу та інших продуктів під дією ряду мікроорганізмів, наприклад, дріжджів. Біологія ж уточнює, що це анаеробне розщеплення вуглеводів (у тому числі глюкози), що відбувається під впливом мікроорганізмів (або отриманих з них ферментів). Це багатостадійний процес, що включає окислювально-відновлювальні реакції, причому з одного і того ж субстрату виходять і донори, і акцептори електронів.
Збивання здатні піддаватися багато речовин, проте частіше використовують саме вуглеводи. При цьому утворюються не тільки основні речовини, а й такі продукти, як ацетон, вуглекислий газ, водень та ін.
Біологічна роль бродіння
Значення цього явища для живих організмів велике. У результаті сукупності хімічних реакцій при бродінні утворюються:
- молекули АТФ із запасом енергії, необхідної для підтримки життя мікроорганізмів;
- хімічні речовини, необхідні для синтезу своїх же білків, цукрів, різних нуклеїнових кислот тощо.
Вважається, що основні три види бродіння були відкриті і описані Л. Пастером в 19 столітті. Однак продукти їх використовуються людством з незапам 'ятних часів.
Види бродіння
Найчастіше в промислових масштабах використовуються спиртовий, молочнокислий і маслянокислий види. Біохімією розглядаються також пропіоновокисле, лимоннокисле, ацетоно-бутилове та інші різновиди. Зрозуміти, яке бродіння буде йти в тому чи іншому випадку, можна за виглядом використовуваних мікроорганізмів.
Так, спиртове бродіння збуджують пекарські дріжджі (Saccharomyces cerevisiae), бактерії роду ервіній (Erwinia amylovora) і сарцин (Sarcina ventriculi). Маслянокисле здійснюється облігатно-анаеробними бактеріями роду Clostridium. Збудниками бродіння по молочнокислому напрямку є бактерії Streptococcus cremoris, кокки (рід Lactococcus) і палички (рід Lactobacillus).
Спиртове бродіння
Даний процес включає 12 стадій і має досить складний механізм. При бродінні глюкози утворюється 2-оксопропанова кислота, частіше звана пировиноградной. Цю стадію проходить глюкоза при будь-якому типі збражування. Далі вона піддається дії ферментів і перетворюється на ацетальдегід, який відновлюється до етанолу.
Скорочене рівняння спиртового бродіння має вигляд:
С6Η12О6 ― > 2С2Η5ОΗ + 2СО2
З урахуванням енергії, що виділилася, його ж можна записати наступним чином:
C6Η12O6 + 2Η3PO4 + 2АДФ ― > 2C2Η5OΗ + 2CO2 + 2АТФ
Таким чином, з однієї молекули глюкози запасається дві молекули АТф.
Молочнокисле бродіння
Залежно від групи мікроорганізмів, що беруть участь у цьому процесі, бродіння може піти двома шляхами. Гомоферментативні 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 справедливе рівняння реакції:
― > (О ) СОО + Q
Гетероферментативні молочно-кислі бактерії крім молочної кислоти дають в якості побічних продуктів етанол, оцтову кислоту, вуглекислий газ та інші речовини. Можна записати таку рівняння бродіння:
― > (О ) СОО + СОО () + + Q
Маслянокисле бродіння
Цей тип бродіння знайомий багатьом господиням, оскільки саме він призводить до псування харчових продуктів. Маслянокислі бактерії викликають прогоркання 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 меласи (відходу при виробництві цукру). Сама кислота має відштовхуючий запах, а ось її ефіри приємно пахнуть квітами і фруктами. Для маслянокислого бродіння можна записати таке рівняння реакції:
2С6Η12О6 ― > СΗ3СΗ2СН2СООΗ + 2СО2 + 2Н2 + Q
Лимоннокисле бродіння
Як і інші види бродіння, це йде через стадію утворення піровіноградної кислоти, яка потім включається в цикл Кребса. Перетворення глюкози на лимонну кислоту проходить багато стадій, але сумарно його можна висловити рівнянням:
2С6Η12О6 + 3О2 ― > 2С6Н8О7 + 4Н2О
Промислове отримання лимонної кислоти засноване на біохімічних реакціях із застосуванням гриба Aspergillus niger в кислому середовищі. Якщо ж середовище буде нейтральним, то в якості побічного продукту буде накопичуватися ще й щавелева кислота.
Бродіння в харчовій промисловості
Процеси ферментації широко використовують для отримання спиртовмісних рідин не тільки в промислових масштабах. Залежно від сировини і технології отримують напої з різним вмістом у них етанолу. Оскільки спиртове бродіння глюкози супроводжується виділенням СО2, то існує ряд продуктів, для яких характерне його виділення в процесі вживання. До них можна віднести пиво та ігристі вина (шампанське). Технологією виробництва інших передбачається своєчасне відведення газу, що утворюється при бродінні, щоб запобігти його накопиченню.
Для отримання кисломолочних продуктів застосовують відповідні бактерії. Завдяки цьому типу бродіння людство дізналося такі продукти, як сметана, кефір, йогурт, простокваша, сир, сир. Також цей процес 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 збереженню м 'ясних продуктів, тому молочнокислі бактерії застосовують при виготовленні сировялених сортів ковбаси, наприклад, салями.
Дуже важливий процес спиртового бродіння для хлібопекарської та кондитерської промисловості. Вуглекислий газ, що виділяється при взаємодії цукру з дріжджами, при розстоюванні і випіканні хлібобулочних виробів розширюється. Це призводить до освіти великих пір у тесті, за рахунок чого воно і стає пишним.
Застосування ферментації
Молочнокислі бактерії використовують у шкіряному виробництві. Для виділення деяких видів хутряних шкурок (каракуль, кріт, білка) використовують їх квашення з житнім борошном або кефіром. Це призводить до розм 'якшення і відсилання волокон дерми.
Завдяки молочнокислим бактеріям і продуктам їх життєдіяльності отримують біорозкладуваний пластик полілактид. З нього, у свою чергу, виготовляють упаковку для харчових продуктів і медичні вироби з коротким терміном служби (нитки і штифти).
Також вони відіграють важливу роль у запасанні кормів для худоби у вигляді силосу. Для цього ботву 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 одним з найважливіших завдань суспільства. Процеси збражування здатні допомогти утилізувати відходи тваринництва і при цьому отримати цінний біогаз, який можна використовувати для опалення тих же ферм. Для цього використовуються різні штами бактерій на різних етапах його виробництва. Спочатку кислотоутворюючі бактерії переробляють органічні речовини в летючі кислоти. А потім метаноутворюючі бактерії з органічних кислот виробляють метан. Як побічні продукти в біогазі містяться сірководень і окис вуглецю.