Биохимия спиртового брожения

Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается в спирт и углекислоту по суммарной формуле Гей-Люссака:

C₆H₁₂O₆ → 2СH₃CH₂OH + 2СО₂.

Как видно из этой формулы, из 180 г глюкозы можно получить 92 г этилового спирта и 88 г углекислого газа. На самом деле наряду со спиртом и углекислотой получается целый ряд других продуктов - глицерин, янтарная кислота, высшие спирты, альдегиды и т. д., и в чистом виде процесс никогда не протекает. Процесс превращения сахара в спирт и углекислый газ - экзотермический, т. е. сопровождается выделением тепла. Количество выделяющегося тепла составляет около 24 ккал на 1 г-мол сброженного сахара и складывается приблизительно из 20 ккал за счет химического расщепления сахара до спирта и углекислоты и 4 ккал за счет теплового эффекта растворения спирта в воде.

Суммарный тепловой эффект брожения при расчетах охлаждения бродящего сусла принимается равным 146,1 ккал на 1 кг сброженной мальтозы.

Превращение сахара в спирт в результате жизнедеятельности дрожжей - сложный ферментативный процесс, осуществляемый через ряд промежуточных стадий. Огромную роль при этом играет участвующая в процессе - фосфорная кислота.

Участие фосфорной кислоты и образование промежуточных продуктов брожения при спиртовом брожении было открыто русскими учеными Л. А. Ивановым и А. Н. Лебедевым. Первый из них доказал, что в начальных стадиях сбраживания сахара образуются эфиры фосфорной кислоты углеводов, а второй установил основные этапы образования промежуточных продуктов при спиртовом брожении. Схема спиртового брожения в настоящее время представляется весьма сложной, и процесс сбраживания углеводов идет через ряд промежуточных взаимосвязанных стадий.

В процессе участвует большое число специфических ферментов и веществ, являющихся переносчиками водорода и фосфорной кислоты.

На первой стадии брожения моносахариды подвергаются этерификации с фосфорной кислотой и образуется гексозомонофосфат. Далее к нему присоединяется вторая молекула фосфорной кислоты и образуется гексозодифосфат. При этом гексозы приобретают строение фруктозы. В процессе этерификации гексоз в качестве переносчика фосфорной кислоты принимает участие аденозинтрифосфат, отдающий фосфорную кислоту и превращающийся в аденозиндифосфат.

Схема этерификации гексоз:

Как видно из приведенной схемы, глюкоза превращается в фруктозу, остатки фосфорной кислоты присоединены на концах молекулы фруктозы и благодаря этому облегчается симметричный распад молекулы фруктозы на две молекулы как раз посередине.

Образовавшийся фруктозодифосфат под влиянием фермента альдолазы, содержащегося в дрожжах, распадается на две молекулы трехуглеродных соединений - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Замечательным здесь является то, что под влиянием фермента изомеразы фосфотриозы чрезвычайно легко переходят друг в друга.

Дальнейшему превращению в процессе брожения подвергается фосфоглицериновый альдегид, и по мере его использования образовавшийся на первой стадии распада фруктозодифосфата фосфодиоксиацетон изомеризуется под влиянием фермента изомеразы и дает новые количества фосфоглицеринового альдегида.

Процесс распада фруктозодифоефата на две триозы и изомеризации триоз показаны на следующей схеме:

Последующие превращения фосфоглицеринового альдегида сводятся к новому присоединению фосфата, поступающего в форме неорганического фосфата из среды, и образованию дифосфоглицеринового альдегида. Дифосфоглицериновый альдегид вступает в окислительно-восстановительную реакцию с козимазой, сам окисляется в дифосфоглицериновую кислоту, а козимаза восстанавливается, присоединяя два атома водорода, отдаваемого фосфоглицерииовым альдегидом.

Схема превращения фосфоглицеринового альдегида.

Дифосфоглицериновая кислота вступает в реакцию с аденозиндифосфатом, образовавшимся на первой стадии процесса, отдает ему один остаток фосфорной кислоты и превращается в фосфоглицериновую кислоту, а аденозиндифосфат вновь становится аденозинтрифосфатом; при этом остаток фосфорной кислоты перемещается от первого углеродного атома ко второму. Схема перемещения следующая:

Далее фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента энолазы, превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту, которая, отдавая остаток фосфорной кислоты аденозиндифосфату, превращается в устойчивую кетоформу пировиноградной кислоты по следующей схеме:

Образовавшаяся пировиноградная кислота под влиянием фермента карбоксилазы расщепляется на ацетальдегид и углекислый газ:

Ацетальдегид под влиянием оксидоредуктазы в присутствии восстановленного кофермента на стадии превращения фосфогли- церинового альдегида в фосфоглицериновую кислоту восстанавливается в спирт, присоединяя два атома водорода, а восстановленный кофермент становится вновь окисленным.

Таким образом замыкается весь цикл спиртового брожения.

Как видно из изложенного, в процессе сбраживания молекулы сахара в спирт и углекислый газ принимают непосредственное участие аденозинтрифосфат как переносчик фосфорной кислоты и кофермент как переносчик водорода в окислительновосстановительных реакциях спиртового брожения.

Весь процесс осуществляется целой группой специфических ферментов, ранее объединявшихся в одном ферменте, называемом зимазой.

Суммировать всю схему можно следующим образом.