Броже́ние — биохимический процесс, основанный на окислительно-восстановительных превращениях органических соединений в анаэробных условиях. В ходе брожения происходит образование АТФ за счёт субстратного фосфорилирования . При брожении субстрат окисляется не полностью, поэтому брожение энергетически малоэффективно в сравнении с дыханием , в ходе которого АТФ образуется не за счёт субстратного фосфорилирования, а за счёт окислительного фосфорилирования . Таким образом, основной биологический смысл брожения заключается не в получении энергии, а в окислении НАДН и обеспечении гликолитических процессов окисленной формой (НАД+) этого кофермента в условиях отсутствия кислорода.

Брожение осуществляют многие микроорганизмы , так называемые бродильщики , как прокариотические , так и эукариотические , например, дрожжи рода проводят спиртовое брожение . Способность к брожению сохранило большинство современных организмов, так, например, в клетках растений (например, в подводных частях, где нет доступа к кислороду, или при прорастании семян), может осуществляться молочнокислое и спиртовое брожение .

Брожение с древних времён используется человеком для получения разнообразных продуктов. Его используют в пивоварении , хлебопечении , виноделии , получении кисломолочных продуктов . В XX веке брожение стали использовать для промышленного получения этанола , бутанола , ацетона , молочной кислоты и ацетальдегида .

История изучения

Долгое время химики , в числе которых Антуан Лавуазье , рассматривали брожение как химическую реакцию , к которой живые организмы не имеют никакого отношения. В 1837 году Шарль Каньяр де Ла-Тур , Теодор Шванн и Фридрих Кютцинг независимо друг от друга опубликовали работы, в которых показали, что дрожжи , веками использовавшиеся в пивоварении и виноделии, это живые организмы, способные размножаться посредством почкования . Шванн вскипятил виноградный сок , убив тем самым дрожжи, и показал, что брожение могло начаться вновь лишь после добавления новых дрожжей. Однако и после этих исследований многие химики продолжали отрицать роль живых организмов в брожении . Ситуация изменилась, когда Луи Пастер в 1850—1860-х годах повторил эксперименты Шванна и показал, что брожение осуществляют живые организмы. В 1857 году он показал, что молочнокислое брожение осуществляется живыми организмами . В 1860 году он продемонстрировал, что молока , которое прежде считалось независимым от живых организмов химическим процессом, вызывается бактериями . Эта работа показала роль микроорганизмов в порче пищевых продуктов и дала толчок к разработке пастеризации . Чтобы поспособствовать развитию пивоварения во Франции , в 1877 году Луи Пастер написал знаменитую работу «Études sur la Bière» («Изучение брожения»), в которой дал знаменитое (хотя и неверное) определение брожению как «жизни без кислорода ». Он сумел установить связь между различными видами брожения и осуществляющими их микроорганизмами .

Хотя Пастер убедительно доказал, что брожение происходит только в присутствии микроорганизмов, оставалось неизвестным, что́ именно в них отвечает за этот процесс. Многие учёные, включая Пастера, безуспешно пытались выделить из дрожжей компоненты, катализирующие реакции брожения. Наконец, в 1887 году немецкий химик Эдуард Бухнер вырастил дрожжи, получил из них экстракт и обнаружил, что эта «мёртвая» жидкость способна сбраживать сахара, подобно живым дрожжам, с образованием этанола и углекислого газа . Результаты Бухнера положили начало науке биохимии. Благодаря его открытиям стало понятно, что брожение осуществляют особые белки — ферменты , содержащиеся в микроорганизмах . За свои результаты Бухнер в 1907 году получил Нобелевскую премию по химии . До Бухнера активным изучением спиртового брожения занималась русская женщина- врач Мария Манасеина , которая опубликовала работу «К учению об алкогольном брожении» в 1871 году .

Последние достижения микробиологии и биотехнологии позволяют оптимизировать брожение для промышленных нужд. Так, уже в 1930-х годах было показано, что с помощью химических и физических воздействий можно вызвать у микроорганизмов мутации , которые позволяют им расти быстрее и на более концентрированной среде, быть толерантными к небольшому количеству кислорода и давать больше продуктов брожения. Такие штаммы активно используются в пищевой промышленности .

Общая характеристика

В качестве субстрата в процессах брожения могут выступать различные органические соединения, в которых углерод окислен не полностью: углеводы , спирты , органические кислоты , аминокислоты , гетероциклические соединения . Продуктами брожения также выступают органические вещества: органические кислоты ( молочная , уксусная , масляная и другие), спирты, ацетон , также могут выделяться газы : углекислый газ, водород , аммиак , сероводород , метилмеркаптан , а также образовываться различные жирные кислоты . Типы брожения принято именовать по основному выделяемому продукту .

В процессе брожения выделяют два этапа:

• окислительный , при котором специальные ферменты отрывают электроны от субстрата и передают их на временный переносчик (например, NAD ⁺ ). Высвобождающаяся в ходе этого процесса энергия запасается в виде АТФ.
• восстановительный , при котором образовавшееся промежуточное соединение восстанавливается за счёт переноса на него электронов и протонов с временного переносчика. Восстановленные органические соединения выделяются микроорганизмами во внешнюю среду .

Как правило, в ходе брожения молекула субстрата расщепляется, а одни и те же соединения служат и донорами, и акцепторами электронов. Известно и сопряжённое сбраживание, при котором донорами и акцепторами электронов являются разные вещества. Так, при сбраживании некоторых аминокислот одна аминокислота окисляется, а другая — восстанавливается .

При брожении не происходит полного окисления субстрата, поэтому брожение — энергетически малопродуктивный процесс. При различных видах брожения сбраживание одной молекулы глюкозы даёт от 0,3 до 3,5 молекул АТФ, при этом аэробное дыхание с полным окислением субстрата имеет выход 38 молекул АТФ. В связи с низким энергетическим выходом микроорганизмы-бродильщики вынуждены перерабатывать огромное количество субстрата .

Путь брожения может быть прямым или разветвлённым, при котором окислительный этап удлиняется, что сопровождается увеличением энергетического выхода. Молекулы промежуточного продукта в восстановительном этапе могут также подвергаться дополнительным преобразованиям для повышения их акцепторной способности .

Основные типы

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение в 90 % случаев осуществляют дрожжи родов Saccharomyces и . Они сбраживают моно - и дисахариды с образованием этанола и углекислого газа. Окислительный этап спиртового брожения идёт по пути гликолиза с образованием из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата , двух молекул АТФ и двух молекул NADH + H ⁺ . На восстановительном этапе функционирует фермент , коферментом которого служит тиаминпирофосфат . В отсутствие кислорода пируватдекарбоксилаза превращает пируват в ацетальдегид с высвобождением молекулы углекислого газа. Далее фермент алкогольдегидрогеназа , используя два NADH + H ⁺ , образовавшихся в окислительном этапе, восстанавливает ацетальдегид до этанола. Общее уравнение реакции спиртового брожения: глюкоза + 2 АДФ + 2P _i → 2 этанол + 2 CO ₂ + 2 АТФ .

Спиртовое брожение обнаружено лишь у единичных прокариот из-за редкой встречаемости у них фермента пируватдекарбоксилазы. Строго анаэробная грамположительная бактерия Sarcina ventriculi способна к спиртовому брожению, подобно дрожжам. Бактерия , хотя и имеет пируватдекарбоксилазу, спиртовое брожение не проводит, а сбраживает сахара по пути Энтнера — Дудорова . Ещё одна бактерия, имеющая пируватдекарбоксилазу — — способна к спиртовому брожению, наряду с другими типами брожения .

Спиртовое брожение имеет большое промышленное значение. Его используют в хлебопечении, производстве этанола, глицерина , алкогольных напитков .

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение осуществляют филогенетически неродственные организмы: представители порядков , , а также семейства . Эти бактерии живут исключительно за счёт брожения. Молочнокислое брожение подразделяют на гомоферментативное и гетероферментативное. При гомоферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через гликолиз и около 90 % конечного продукта приходится на лактат (остальные 10 % составляют ацетат , ацетоин и этанол). Субстратом для гомоферментативного молочнокислого брожения служат лактоза , другие моно- и дисахариды, а также органические кислоты. Общее уравнение гомоферментативного брожения: глюкоза → 2 лактат + 2 АТФ .

При гетероферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через пентозофосфатный путь и на долю молочной кислоты приходится лишь около половины конечного продукта . Важным субстратом для гетероферментативного молочнокислого брожения является мальтоза . Некоторые гомоферментативные бактерии, оказываясь в среде, содержащей пентозы , могут переходить на гетероферментативное брожение .

Молочнокислое брожение используется в приготовлении различных продуктов на основе молока ( простокваши , сметаны , кефира ), в квашении овощей и силосовании .

Пропионовокислое брожение

Пропионовокислое брожение осуществляют преимущественно бактерии подпорядка класса Actinobacteria , обитающие в рубце и кишечнике жвачных животных . Субстратом для пропионовокислых бактерий служат моно- и дисахариды, а также некоторые органические кислоты, однако, в отличие от молочнокислых бактерий, они не способны разлагать лактозу и никогда не встречаются в молоке. Пропионовокислые бактерии способны фиксировать CO ₂ в гетеротрофных условиях с помощью и фосфоенолпируваткарбоксилазы . Суммарное уравнение реакции пропионовокислого брожения: 1,5 глюкоза → 2 пропионат + ацетат + CO ₂ .

Пропионовокислое брожение происходит при приготовлении некоторых твёрдых сыров на стадии их дозревания. Кроме того, пропионовокислые бактерии являются источником витамина B ₁₂ для медицины .

Муравьинокислое (смешанное) брожение

Муравьинокислое (также известно как смешанное) брожение осуществляют бактерии порядка Enterobacteriales , большинство из которых относится к кишечной микрофлоре человека (в том числе кишечная палочка Escherichia coli ). Все они являются факультативными анаэробами и, помимо брожения, способны к дыханию . В общем случае муравьинокислого брожения глюкоза через гликолиз превращается в пируват, который далее восстанавливается до муравьиной кислоты (которая, в свою очередь, может превратиться в водород и углекислый газ), этанола и других органических кислот. Несмотря на то, что разные представители образуют разнообразные продукты (за что брожение и называют смешанным), все муравьинокислые бактерии имеют фермент , который превращает пируват в ацетил-КоА и муравьиную кислоту .

Маслянокислое брожение

К маслянокислому брожению способны некоторые представители родов Clostridium , , , . Клостридии в качестве субстрата для маслянокислого брожения могут использовать не только моно- и дисахариды, но также крахмал , целлюлозу , пектин и другие биополимеры . При маслянокислом брожении глюкоза окисляется до пирувата по гликолитическому пути, который далее превращается в ацетил-КоА. Дальнейшие химические преобразования ацетил-КоА дают масляную кислоту (бутират) и ацетат. Общий выход маслянокислого брожения составляет 3,5 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Микроорганизмы маслянокислого брожения обитают в разных типах почв , разлагают многие биополимеры, вызывают порчу продуктов ( прогоркание масла, сметаны, квашеных овощей, силоса ) .

Гомоацетатное брожение

Гомоацетатное брожение, хотя и называется брожением, включает часть реакций анаэробного дыхания, его единственным продуктом является ацетат. Бактерии, способные к гомоацетатному брожению, — строгие анаэробы, которые могут перерабатывать широкий спектр субстратов (в том числе одноуглеродных), кроме того, они связаны синтрофными связями с ацетокластическими метаногенами . Гомоацетогены занимают промежуточное положение между бродильщиками и анаэробно дышащими бактериями, так как две молекулы ацетата они образуют в ходе реакций брожения, а третья получается за счёт анаэробного карбонатного дыхания. Гомоацетогенные бактерии встречаются в разных филогенетических группах. Среди них представители родов Clostridium , , , и другие .

Использование человеком

Пищевые продукты и напитки, полученные с использованием брожения, входят в состав практически всех кухонь мира. Брожение, наряду с копчением , высушиванием и засолкой долгое время было одним из способом предотвращения порчи пищевых продуктов. Человек стал использовать брожение, в частности, в пивоварении, со времён неолита около 7 тысяч лет до н. э. в Китае . Вино впервые стали получать в Месопотамии около 6 тысяч лет до н. э. Некоторые продукты брожения приобрели сакральное значение в христианстве . В современном мире брожение (ферментация) играет огромную роль в пищевой промышленности . Подсчитано, что ежедневно по всему миру каждый человек употребляет в пищу от 50 до 400 г продуктов, полученных в результате брожения, которые составляют от 5 до 40 % дневного рациона. С помощью спиртового брожения и разнообразных субстратов для него получают разнообразные алкогольные напитки: пиво , вино , игристые вина , крепкие напитки . Микроорганизмы-бродильщики используются в пищевой промышленности в хлебопечении, производстве кисломолочных продуктов, квашении овощей, получении сыров, соевого соуса и других продуктов азиатской кухни . Всего же в мире существует около 5 тысяч различных продуктов питания, получаемых с использованием брожения . Брожение имеет значение и для сельского хозяйства : с помощью молочнокислого брожения осуществляют силосование , заготовку кормовой свёклы .

См. также

• Ферментация

Примечания

Литература

• Пиневич А. В. Микробиология. Биология прокариотов: в 3 т. — СПб. : Издательство С.-Петербургского университета, 2007. — Т. 2. — 331 с. — ISBN 978-5-288-04269-0 .
• Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0 .
• Современная микробиология: в 2 т / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М. : Мир, 2005.
• Куранова Н. Г., Купатадзе Г. А. Микробиология. Часть 2. Метаболизм прокариот. — М. : Прометей, 2017. — 100 с. — ISBN 978-5-906879-11-0 .
• Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 324 с. — ISBN 978-5-94774-767-6 .

Ссылки

• по брожению (англ.)