Влияние условий среды на характер спиртового брожения

Изложенная схема характеризует идеальный процесс спиртового брожения. На этот процесс могут оказывать чрезвычайно большое влияние внешние условия среды, особенно присутствие в ней кислорода и концентрация водородных ионов. Образующиеся по схеме спиртового брожения промежуточные продукты превращения сахаров чрезвычайно подвижны и на определенных этапах идентичны промежуточным продуктам, образующимся при превращении сахаров в процессе дыхания.

Достаточно изменить реакцию среды в щелочную сторону или ввести в среду вещества, связывающие ацетальдегид, как процесс спиртового брожения пойдет в сторону преимущественного образования глицерина и уксусной кислоты. На этом принципе построена технология получения глицерина при брожении - так называемое глицериновое брожение.

При интенсивной аэрации среды, как это практикуется в дрожжевом производстве, значительная часть образующихся продуктов расщепления сахара (глюкозы) потребляется на построение веществ размножающихся дрожжей, а остальная часть их окисляется до CO₂ и H₂O. Пировиноградная кислота и ацетальдегид, например, могут окисляться или до уксусной кислоты или подвергаться полному окислению до углекислого газа и воды в соответствии с уравнением аэробного дыхания. Центральное место пировиноградной кислоты и ацетальдегида, которое они занимают в общей схеме реакций спиртового брожения, объясняет их главную роль в процессах синтеза веществ при росте и размножении дрожжей в аэробных условиях.

 

Рост и размножение дрожжей и образование продуктов обмена веществ в среде в условиях спиртового брожения

По химическому составу дрожжи отличаются от сусла. В состав дрожжей входят жиры и жироподобные вещества, целая группа витаминов и других веществ, которых нет или очень мало в пивном сусле. Эти вещества синтезируются дрожжевыми клетками за счет более простых веществ сусла.

В состав дрожжей входят белки и полисахариды, которые имеются в том или ином количестве и в пивном сусле, но в силу биологических особенностей дрожжей, состояния ферментативного комплекса их и проницаемости дрожжевых оболочек они не могут потребляться из сусла в готовом виде, а должны быть только вновь синтезированы соответственно из аминокислот и моно- или дисахаридов, или из промежуточных продуктов их расщепления при спиртовом брожении.

Содержащиеся в пивном сусле аминокислоты по своему составу отличаются как в качественном, так и в количественном отношении от состава аминокислот, входящих в состав белков и азотистых продуктов дрожжей. Поэтому в процессе брожения сусла и происходящих при этом росте и размножении дрожжей протекает сложный синтез новых и сложная химическая перестройка имевшихся в сусле аминокислот.

Перестройка аминокислот сусла в аминокислоты дрожжей связана с переносом аминных групп (NH₂) на готовые углеродные скелеты аминокислот и с синтезом новых углеродных скелетов тех или иных аминокислот, которых не достает в пивном сусле.

Синтез новых органических веществ, протекающий в многообразной форме в дрожжевой клетке, может происходить

только в условиях и на базе превращения сахара по рассмотренной схеме спиртового брожения. Без этого превращения углеводов останавливаются рост и размножение дрожжей и прекращается нормально протекающий обмен веществ.

Нормальный азотистый обмен веществ в дрожжах возможен только на базе сбраживания углеводов; в результате его в среде накапливаются характерные продукты обмена веществ, составляющие основу вкусовых качеств пива.

Количество и качество продуктов азотистого обмена веществ в первую очередь зависят от состава сусла и особенностей обмена веществ, применяемых для сбраживания сусла дрожжей.

Важными, с точки зрения вкуса и аромата пива, продуктами азотистого обмена веществ дрожжей являются высшие спирты и органические кислоты с длинной углеродной цепочкой.

Образование высших спиртов неразрывно связано с превращением аминокислот и протекает в анаэробных условиях только одновременно со спиртовым брожением. В отсутствие брожения, даже если углеводы в среде и находятся, но не происходит их сбраживания, высшие спирты не накапливаются. Следовательно, высшие спирты как конечные продукты азотистого обмена веществ дрожжей, существующих и живущих в отсутствие кислорода в среде, являются не результатом самостоятельно протекающего азотистого обмена, а результатом таких превращений веществ, которые составляют неразрывную цепь специфического обмена веществ в целом в условиях спиртового брожения углеводов.

Схематически образование высших спиртов из аминокислот, по Эрлиху, происходит следующим образом:

Как видно из этой схемы, процесс образования высшего спирта самостоятельный и не зависит от спиртового брожения углеводов. При образовании высшего спирта должно было бы происходить отщепление от воды двух атомов водорода, присоединяемых к углероду аминокислоты и аминной группе, превращающейся в аммиак.

Однако образования высших спиртов без спиртового брожения углеводов, как сказано выше, не происходит, и объясняется это тем, что процесс в данной схеме является эндотермическим, требующим притока энергии извне за счет какого- либо другого процесса, в данном случае за счет спиртового брожения углеводов.

При ближайшем рассмотрении приведенной схемы можно предположить, что, кроме высшего спирта, должен быть еще образован аммиак. Но, как известно, аммиак и аммиачные соли в количестве, которое отвечало бы приведенной схеме, при спиртовом брожении не образуются. Следовательно, при образовании высших спиртов из аминокислот отщепляющийся аммиак должен связываться каким-то продуктом спиртового брожения. Таким продуктом может быть пировиноградная кислота. В этом случае за счет аммиака и пировиноградной кислоты может быть образована важнейшая аминокислота аланин - CH₃CO COOH + NH₃=CH₃ CHNH₂ COOH + 1/2O₂. Но и этот процесс самостоятельно также протекать не может в силу эндотермичности.

Осуществление его возможно только при одновременно протекающем экзотермическом процессе сбраживания углеводов.

Таким образом, приведенной выше схемой нельзя объяснять самостоятельное образование высших спиртов из аминокислот и синтез новых аминокислот в дрожжах.

Пути азотистого обмена веществ при спиртовом брожении становятся более ясными, если исходить из теории переаминирования аминокислот, разработанной впервые в СССР.

Если взять какую-либо аминокислоту, например лейцин и кетокислоту (пировиноградную), то процесс образования аланина представится следующим образом:

Сущность образования новых аминокислот при переаминировании сводится к переносу на образованные при каком-либо процессе кетокислоты аминной группы перестраиваемой аминокислоты, минуя стадию образования из аминной группы аммиака. Схематически это можно представить так:

Если взять какую-либо аминокислоту, например лейцин и кетокислоту (пировиноградную), то процесс образования аланина представится следующим образом:

Кетокислота, вступая на место пировиноградной кислоты в цикле спиртового брожения углеводов, превратится в соответствующий высший спирт и углекислоту. Все ее превращения - декарбоксилирование с образованием высшего альдегида, восстановление до спирта за счет окисления дифосфоглицеринового альдегида до дифосфоглицериновой кислоты, - вероятно, осуществляются теми же ферментными системами, которые обусловливают процесс брожения углеводов.

Из сказанного вытекает, что образование высших спиртов (сивушного масла) из аминокислот неизбежно должно приводить к накоплению эквивалентного количества аланина в среде, если он не потребляется клетками для построения тела, и эквивалентного количества Глицериновой кислоты или продуктов ее превращения - в конечном счете ацетальдегида. Это было доказано экспериментально И. М. Грачевой и К. Краузе при сбраживании пивного сусла.

Сочетание процессов переаминпрования и сбраживания углеводов легко объясняет образование янтарной кислоты из глютаминовой кислоты.

При сбраживании сахаров в сусле всегда образуется янтарная кислота. Предполагается, что источником для ее образования является глютаминовая кислота. Обычно представляется, что янтарная кислота образуется в результате дезаминирования и декарбоксилирования глютаминовой кислоты по общей формуле, приведенной выше для дезаминирования аминокислот.

Но так протекать процесс не может, поскольку для этого потребовалось бы наличие свободного кислорода в среде, а его, как известно, при спиртовом брожении нет или не должно быть.

Образование янтарной кислоты при наличии кислорода в среде представляется по следующей формуле:

COOHCH₂CH₂CHNH₂COOH + O₂ = СООНСН₂СН₂СООН + NH₃ + CO₂.

По этой формуле образование янтарной кислоты из глютаминовой есть процесс окислительный и не может быть объяснен схемой дезаминирования, протекающего самостоятельно без притока кислорода извне.

Однако этот процесс всегда происходит при спиртовом брожении и без притока кислорода извне.

Это легко можно представить, если сочетать процессы переаминнрования аминокислот и спиртового брожения.

Аминная группа глютаминовой кислоты переносится на пировиноградную кислоту:

COOHCH₂CH₂CHNH₂COOH + СН₃СОСООН;

образуются кетоглютаровая кислота и аланин:

СООНСН₂СН₂СОСООН + CН₃CHNH₂COOH.

Кетоглютаровая кислота после декарбоксилирования дает соответствующий альдегид

который вступает при участии ферментов брожения в окислительно-восстановительную реакцию с ацетальдегидом и дает янтарную кислоту и этиловый спирт:

Таким образом, на основании современных данных о биохимии превращения азотистых веществ легко можно представить взаимосвязь процессов брожения и продуктов превращения углеводов и аминокислот при спиртовом брожении, накопление при брожении высших спиртов, альдегидов и органических кислот.

Образование кетокислот, альдегидов и органических кислот создает предпосылки возможного синтеза любых органических соединений для живой клетки в анаэробных условиях без присутствия свободного молекулярного кислорода в среде.

Взаимосвязь процессов, рассмотренная выше, и однотипность путей совместного превращения углеводов и аминокислот в едином процессе обмена веществ при спиртовом брожении обосновывают незыблемость положения - спиртовое брожение есть жизнь дрожжевой клетки без кислорода, а это в свою очередь открывает новые пути рационализации технологии производства пива.