Спиртовое и другие виды брожения глюкозы

 

Спиртовое и пропионо­вокислое брожения наравне с молочнокислым брожением не менее важны при производстве некоторых кисломолочных напитков и твер­дых сыров. Вместе с тем маслянокислое брожение является причи­ной возникновения пороков (порчи) многих молочных продуктов и особенно сыров, вызывая получение неправильного рисунка и позд­нее вспучивание продукта.

Спиртовое брожение. Спиртовое брожение глюкозы имеет место при выработке кефира, кумыса, курунги и других кисломолочных продуктов. Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи родов Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Fabospora, Torulopsis и др. Они сбраживают глюкозу с образованием этанола и диоксида угле­рода:

C₆H₁₂O₆ + 2Ф_Н + 2АДФ ¾® 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 2АТФ

Выход АТФ при спиртовом брожении составляет 2 моля на 1 моль глюкозы.

Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту на первой ста­дии спиртового брожения идет по гликолитическому пути аналогич­но гомоферментативному молочнокислому брожению (см. схему 1). Однако вместо восстановления до молочной кислоты она подверга­ется декарбоксилированию под действием пируватдекарбоксилазы с образованием СО₂ и уксусного альдегида. Уксусный альдегид далее вступает во взаимодействие с НАД-Н₂, образовавшимся ранее при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида. В результате образует­ся этанол:

СН₃СОНСООН ¾¾® 2СН₃СНО + 2СО₂

2СН₃СНО + 2НАД^.Н₂ ¾¾® 2С₂Н₅ОН + 2НАД⁺

Кроме этанола и диоксида углерода дрожжи могут образовывать в небольшом количестве другие спирты (изобутиловый, пропиловый, глицерин и др.), уксусную, пропионовую, янтарную и молочную кис­лоты, а также ацетальдегид, ацетоин и диацетил.

Окисление спирта уксуснокислыми бактериями. При совместном культивировании дрожжей и уксуснокислых бактерий, например, при использовании кефирных грибков проис­ходит неполное окисление части накопившегося этанола до уксус­ной кислоты (с образованием более 5% кислоты):

_{- 2Н + Н2О + 1/2О2}

СН₃СН₂ОН ¾® СН₃СНО ¾® СН₃СН(ОН)₂ ¾® СН₃СООН + Н₂О

Пропионовокислое брожение. Возбудителем брожения являются пропионовокислые бактерии рода Propionibacterium, которые превращают глюкозу или молочную кислоту в пропионовую и уксусную кислоты с выделением диоксида углеро­да. Одновременно образуется небольшое количество янтарной кис­лоты, ацетоина и диацетила. Если брожение начинается с глюкозы, то процесс до образования пировиноградной кислоты идет аналогично гомоферментативному молочнокис­лому брожению. Если же брожению подвергается молочная кисло­та, то путем дегидрирования (с помощью лактатдегидрогеназы) она также превращается в пировиноградную кислоту. В дальнейшем одна часть пировиноградной кислоты подвергается окислительно­му декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, который через ацетилфосфат переходит в уксусную кислоту (в реакциях уча­ствуют ферменты пируватдегидрогеназа, фосфотрансацетилаза и ацетаткиназа):

Другая часть пировиноградной кислоты путем карбоксилирова-ния (при участии карбоксилтрансферазы, которая обратимо перено­сит карбоксильную группу от метилмалонил-КоА на пируват) превра­щается в щавелевоуксусную кислоту. Далее щавелевоуксусная кис­лота восстанавливается в яблочную, которая в свою очередь восста­навливается в янтарную кислоту. Янтарная кислота через сукцинил-КоА и метилмалонил-КоА превращается в пропионил-КоА, который расщепляется с образованием пропионовой кислоты (см. ана­логичные этапы на рис.5.1, путь в):

Суммарное уравнение пропионовокислого брожения глюкозы (если одна треть молекул глюкозы превращается в уксусную кислоту, а две трети — в пропионовую) имеет следующий вид:

2C₆H₁₂O₆ + 8Ф_Н + 8АДФ ¾®

¾® 4СН₃СН₂СООН + 2СН₃СООН + 2СО₂ + 2Н₂О + 8АТФ

Общий энергетический выход составляет 2²/₃ моля АТФ на 1 моль глюкозы.

Пропионовокислое брожение углеводов и молочной кислоты иг­рает важную роль в процессе созревания твердых сыров с высокой температурой второго нагревания.

Маслянокислое брожение. Брожение происходит в молочных про­дуктах под действием маслянокислых бактерий, сбраживающих как глюкозу, так и молочную кислоту. Известно несколько типов маслянокислого брожения, раз­личающихся образуемыми продуктами. Так, конечными продуктами одного из типов брожения являются масляная и уксусная кислота, диоксид углерода и водород:

2C₆H₁₂O₆ + 2Н₂О + 7Ф_Н + 7АДФ ¾®

¾® СН₃СН₂СН₂СООН + 2СН₃СООН + 4СО₂ + 6Н₂ + 7АТФ

Выход АТФ оказывается равным 3¹/₂ моля на 1 моль глюкозы. До образования пировиноградной кислоты брожение идет по гликолитическому пути. Затем пировиноградная кислота декарбоксилируется до ацетил-КоА. Одна часть молекул ацетил-КоА пе­реходит в ацетилфосфат и далее в уксусную кислоту (см. путь г на рис.5.1). Другая часть ацетил-КоА конденсируется в ацетоацетил-КоА, который через ряд реакций превращается в масляную кислоту, обладающую в больших концентрациях неприятным про­горклым запахом.

При другом типе маслянокислого брожения наблюдается образо­вание бутилового, изопропилового спиртов и ацетона (см. рис. 5.1, путь г).

Таким образом, в процессе маслянокислого брожения наряду с масляной кислотой образуется ряд побочных веществ, часто облада­ющим резким, неприятным запахом, а также большое количество газов. Маслянокислое брожение — нежелательный процесс в молоч­ной промышленности; продукты жизнедеятельности маслянокислых бактерий являются причиной появления в кисломолочных продук­тах неприятного вкуса, запаха и позднего вспучивания сыров.

 

5.2. БИОХИМИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

 

Широта и разнообразие областей применения материалов на основе целлюлозы и ее производных связаны с возможностью направленного изменения их свойств прежде всего за счет использования химических реакций с участием функциональных групп и связей полимерной цепи.

Химические свойства целлюлозы определяются наличием гликозидных связей между элементарными звеньями (реакции деструкции) и гидроксильных групп (реакции окисления, этерификации - синтеза сложных эфиров и О-алкилирования - синтеза простых эфиров). Характерный пример реакции деструкции целлюлозы - реакция кислотного гидролиза, конечным продуктом которого является глюкоза. Именно эта реакция лежит в основе одного из промышленных методов получения этилового спирта (гидролиз целлюлозосодержащих отходов с последующим спиртовым брожением гидролизата). Наблюдаются две резко отличающиеся по скорости стадии гидролитической реакции: первая, на которой происходит гидролиз аморфных участков структуры, и вторая, со значительно более низкой скоростью, на которой реакция идет за счет расщепления гликозидных связей, находящихся на концах кристаллитов.

Фрагменты структуры, образующиеся по окончании первой стадии гидролиза, - микрокристаллическая целлюлоза - представляют собой иглоподобные частицы, длина которых зависит от типа исходной целлюлозы и обусловлена размером ее кристаллитов. Так, для хлопковой целлюлозы величина степени полимеризации этих фрагментов (так называемая предельная СП после гидролиза, Level-off-DP) равна 200-300, древесной - 120-280, целлюлозы вискозных волокон - 30-50.

Микрокристаллическую целлюлозу в виде белого сыпучего порошка применяют в качестве наполнителя при приготовлении таблеток лекарственных препаратов, добавок в формовочную массу в производстве керамических и фарфоровых изделий, для стабилизации водоэмульсионных красок. При диспергировании микрокристаллической целлюлозы в воде сначала образуется молокоподобная взвесь, постепенно приобретающая консистенцию крема. В таком виде микрокристаллическую целлюлозу используют в косметической и фармацевтической промышленности, в виде добавок в пищевые продукты (мороженое, соусы).

Реакции взаимодействия целлюлозы с различными окислителями (NaClO, KMnO₄, NO₂, HIO₄, H₂O₂) приводят к образованию производных, содержащих карбонильные и карбоксильные группы. При этом наибольший интерес представляет действие соединений, обеспечивающих преимущественное окисление определенных гидроксильных групп элементарного звена. К таким окислителям относится иодная кислота (метапериодат натрия) HIO₄, при взаимодействии целлюлозы с которой происходит окисление вторичных гидроксильных групп элементарного звена до альдегидных, сопровождающееся разрывом связи между вторым и третьим атомами углерода элементарного звена.

К окислителям преимущественно избирательного действия относится также оксид азота (IV), под действием которого происходит окисление в основном первичных гидроксильных групп элементарного звена до карбоксильных, приводящее к образованию так называемой монокарбоксилцеллюлозы. Степень окисления целлюлозы оксидом азота (IV) зависит от природы окислителя. 15-20% общего количества окисленных гидроксильных групп приходится на долю вторичных OH-групп, окисляющихся до карбонильных. Параллельно протекает также, хотя и в незначительной степени, процесс образования нитрата целлюлозы (сложного эфира целлюлозы и азотной кислоты).

Невысокая устойчивость диальдегидцеллюлозы к действию щелочных реагентов и даже воды ограничивает области ее практического применения. Так, диальдегидцеллюлозу используют в медицине в качестве полимерной матрицы для иммобилизации ферментов. Перспективным являяется применение в этой же области монокарбоксилцеллюлозы, являющейся эффективным гемостатическим материалом, обеспечивающим быстрое прекращение кровотечения из капиллярных сосудов. Важным свойством монокарбоксилцеллюлозы для применения в медицине является ее способность практически полностью рассасываться в тканях живого организма.

К важнейшим классам производных целлюлозы, широко применяемым в различных отраслях промышленности, относятся ее сложные и простые эфиры. Для получения сложных эфиров в качестве этерифицирующих реагентов используют сильные кислоты, ангидриды и хлорангидриды кислот. При синтезе простых эфиров целлюлозы в качестве О-алкилирующих реагентов могут выступать алкилгалогениды, диалкилсульфаты и соединения, содержащие напряженные гетероциклы или поляризованную двойную связь.

Свойства сложных и простых эфиров целлюлозы, во многом определяющие области их применения, зависят от большого числа факторов, из которых к числу основных следует отнести сравнительную реакционную способность гидроксильных групп и связанное с ней распределение заместителей между OH-группами элементарного звена, влияние структуры целлюлозы на степень замещения эфиров, характер распределения заместителей вдоль цепи, растворимость эфиров и другие их свойства.

Одной из важных характеристик эфиров целлюлозы, с которой связаны способы их переработки в изделия и области практического применения, является их растворимость. Именно путем переработки растворов ксантогената целлюлозы формуют вискозные волокна и пленку (целлофан), переработкой растворов ацетатов целлюлозы - ацетатные и триацетатные волокна и пленку для кино- и фотопромышленности. Переработка композиций на основе эфиров целлюлозы (ацетатов, ацетобутиратов и нитратов целлюлозы, этилцеллюлозы), содержащих небольшое количество высококипящих растворителей (пластификаторов), используется в технологии получения эфироцеллюлозных пластмасс (этролов). Водорастворимые простые эфиры целлюлозы (метил-, карбоксиметилцеллюлоза, а также смешанные эфиры - метилгидроксиэтил-, метилгидроксипропилцеллюлоза) используются в качестве веществ, регулирующих вязкость водных растворов и дисперсий - буровых растворов в нефте- и газодобывающей промышленности, дисперсий красителей в текстильной промышленности, строительной индустрии, в медицине и пищевой промышленности - при приготовлении мазей, кремов, зубной пасты, мороженого, фруктовых соков, в промышленности синтетических моющих средств.

Зависимость растворимости некоторых эфиров целлюлозы, например ацетилфталилцеллюлозы, от кислотности (щелочности) растворителя используется в фармацевтической практике для создания покрытий для таблеток. Легкая растворимость этого эфира целлюлозы в ацетоне позволяет получить прозрачную достаточно прочную пленку, нерастворимую в кислой среде, но растворимую в водных растворах с pH>7. Эта пленка обеспечивает сохранение активности неустойчивых в кислой среде (в желудочном соке) лекарств и хорошее всасывание их в кишечнике, где поддерживается щелочная среда.