Брожение углеводов. 
Биохимия для технологов

Бактерии получают питание из окружающей среды. Питательные вещества поступают в бактериальную клетку через всю ее поверхность по градиенту концентрации. Преобладающий питательный субстрат — углеводы. Процессы расщепления углеводов у микроорганизмов обычно называют брожением.

Брожение — анаэробный процесс ферментативного расщепления углеводов, протекающий под действием микроорганизмов или выделенных из них ферментов.

При брожении расщепляется незначительная доля связей в субстрате, поэтому продукты брожения содержат в себе еще очень большой запас энергии и используются в различных пищевых технологиях.

В молоке брожению подвергается основной дисахарид — лактоза. Под влиянием фермента лактазы, которая выделяется микрофлорой молока, лактоза подвергается гидролизу с образованием глюкозы и галактозы (см. рис. 10.17). Глюкоза активируется, как показано на рис. 10.27. Галактоза тоже преобразуется в гл-б-фосфат, только для этого подвергается превращениям, перечисленным в табл. 10.10.

Таблица 10.10

Превращения галактозы.

В зависимости от вида микроорганизмов и конечных продуктов выделяют несколько видов брожения. Однако первые стадии брожения вплоть до образования ПВК протекают по пути гликолиза.

Молочнокислое брожение — основной вид брожения для молочной промышленности (рис. 10.32).

Процессы производства различных молочнокислых продуктов: простокваши, кефира, йогуртов, творога, сыров и т. д. протекают при участии молочнокислого брожения. Образующаяся при этом молочная кислота придает готовым продуктам характерный чистый кисломолочный вкус.

Этот вид брожения индуцируется молочнокислыми микроорганизмами, естественной средой обитания которых служат растения и растительные остатки, а также слизистые оболочки животных и человека. Это природный путь попадания молочнокислых бактерий в молоко. В производстве молочных продуктов используют различные чистые культуры молочнокислых микроорганизмов.

В зависимости от продуктов, образующихся при брожении, все молочнокислые микроорганизмы делят на две группы: гомоферментативные и гетероферментативные.

Гомоферментативные бактерии при брожении образуют преимущественно молочную кислоту (до 90%) и некоторые побочные продукты. К числу этих микроорганизмов относят только кокковые и палочковидные бактерии. К кокковым относят род Streptococcus и виды Str. lactis, Str. cremoris, Str. diacetilactis, Str. termophilus. Их особенности показаны в табл. 10.11 [5, 24].

Рис. 10.32. Суммарное уравнение молочнокислого брожения.

Примеры гомоферментативных молочнокислых микроорганизмов рода Streptococcus

Таблица 10.11

Гетероферментативные микроорганизмы только половину глюкозы преобразуют в молочную кислоту, а остальную часть сбраживают до этанола, уксусной кислоты, СО._; и других продуктов. В группу гетероферментативных бактерий входят представители родов Leuconostoc, Lactobacterium, Bifidobacterium (табл. 10.12) [5, 24].

Примеры гетероферментативных молочнокислых микроорганизмов.

Таблица 10.12

При гомоферментативном молочнокислом брожении распад гл-6-фосфата протекает так же, как и при гликолизе, вплоть до образования ПВК (см. рис. 10.29 и 10.30). Большая часть ПВК восстанавливается до молочной кислоты (см. рис. 10.31). Незначительное количество ПВК подвергается декарбоксилировашпо (см. рис. 6.39) с образованием С0₂ и уксусного альдегида, который может восстанавливаться до этанола, как показано на рис. 10.33.

Рис. 10.33. Восстановление уксусного альдегида алкогольдегидрогеназой.

до этанола При гетероферментативном молочнокислом брожении расщепление углеводов протекает по иентозофосфатному пути (см. подпараграф 10.6.3), так как у гетероферментативных бактерий отсутствует фермент альдолаза, расщепляющий фр-1,6-дифосфат на две триозы (см. рис. 10.29), как в гликолизе.

В этом случае из гл-6-фосфата образуется рибулозо-5-фосфат — один из ключевых метаболитов углеводного обмена. Он изомеризуется эпимеразой до ксилулозо-5-фосфата (рис. 10.34).

Рис. 1034. Изомеризация рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат.

Ксилулозо-5-фосфат расщепляется на два фрагмента: 3-ФГА и ТПФ- 1,2-этандиол с помощью ТПФ-зависимой пентозофосфокетолазы. Подобно пируватдекарбоксилазе (рис. 6.12) в активном центре этого фермента находится витамин В, (ТИФ). Далее пути разделяются (рис. 10.35).

Рис. 1035. Распад ксилулозо-5-фосфата.

Из 3-ФГА ферментами гликолиза образуется ПВК, которая восстанавливается до молочной или декарбоксилируется до уксусного альдегида (см. рис. 6.39). Уксусный альдегид алкоголъдегидрогеназой может восстанавливаться до этанола (см. рис. 10.33).

Диоксиэтил-ТПФ, как видно на рис. 10.35, в результате дегидратации и перегруппировки сначала преобразуется в ацетил-ТПФ. Путем фосфоролиза от фермент-субстратного комплекса освобождается ацетилфосфат, из которого в конечном счете образуется уксусная кислота (рис. 10.36).

Молочнокислое брожение применяется также при сквашивании фруктов, овощей и в животноводстве для силосования кормов.

Рис. 10.36. Образование уксусной кислоты Пропионовокислое брожение. Производству молочных продуктов может сопутствовать пропионовокислое брожение. Оно провоцируется пропионовокислыми бактериями. Основная среда их обитания — рубец и кишечник жвачных животных. Поэтому в производстве сычужного фермента пропионовокислые бактерии попадают в готовый ферментный препарат и участвуют в процессе свертывания казеина.

К пропионовокислым бактериям относят Propionibacterium freudenreichi, Н. acidi-propionici, Clostridiumpropionicum, Selenomonas и Micromonospora. Оптимальные условия развития этих бактерий — температура 30—37°С и нейтральная среда (pH 7). В анаэробных условиях они способны сбраживать пентозы, глюкозу, лактозу, сахарозу, а также глицерин, молочную, яблочную кислоты и другие субстраты до пропионовой кислоты. Процесс пропионовокислого брожения хорошо изучен. Некоторые реакции совпадают с превращениями глюконеогенеза, некоторые — используют ферменты ЦТК. Это лишний раз доказывает общность и взаимосвязь различных метаболических путей.

Пропионовокислое брожение — важный процесс в производстве швейцарского и ряда других сыров. На рис. 10.37 показано суммарное уравнение пропионовокислого брожения.

Рис. 10.37. Результат пропионовокислого брожения Спиртовое брожение применяют в промышленности для получения этилового спирта. Основная цель при этом — максимальный выход продукта. Также спиртовое брожение имеет большое значение в хлебопечении и виноделии. Как очевидно из рис. 10.38, образование этанола сопровождается выделением СО,. В результате тесто разрыхляется, а готовый хлеб приобретает характерные для него свойства. Этому виду брожения подвергаются.

только гексозы. Поэтому спиртовое брожение можно использовать для отличия гексоз от нентоз.

Основные возбудители спиртового брожения — дрожжи рода Saccaromyces. Первые стадии процесса протекают как обычно: от гл-6-фосфата до ПВК. Затем ПВК декарбоксилируется до уксусного альдегида, который восстанавливается до этанола, как в случае гетероферментативного молочнокислого брожения (см. рис. 10.33).

В молочной промышленности спиртовое брожение сопутствует образованию кефира, кумыса и других кисломолочных напитков.

Маслянокислое брожение (рис. 10.39) протекает при участии бактерий рода Clostridium (С. pasteurianum, С. butyricum), которые могут сбраживать не только глюкозу, ПВК, молочную кислоту, глицерин, маннит, но и полисахариды (крахмал, гликоген, пектины), а также аминокислоты, азотистые основания, белки и НК.

Рис. 1039. Суммарное уравнение маслянокислого брожения.

Клостридии метаболизируют углеводы с участием ферментов ПФЦ. При этом могут образовываться различные продукты: этанол, 2-пропанол, бутанол, уксусная, молочная и масляная кислоты. Особенно неприятным резким запахом и вкусом обладает масляная кислота. Для молочной промышленности — это нежелательный вид брожения. Он придает кисломолочным продуктам различные пороки вкуса и запаха, а также консистенции, например вспучивание сыров.

Газообразные продукты, которые выделяются при брожении, играют определенную роль в производстве пищевых продуктов, в частности формируют рисунок сыра (образование глазков).

Энергетический эффект от брожения, как и от анаэробного гликолиза, незначительный, так как большая часть энергии остается спрятанной в химических связях.