Спиртовое брожение

Распространение

Метаболический путь спиртового брожения имеющийся во многих организмов, в том числе грибов (дрожжей, дрожжеподобных и некоторых плесневых грибов), водорослей, простейших, бактерий, некоторых растений. В части анаэробных организмов он является основным путем получения энергии, например в бактерии Zymomonas mobilis, тогда как многие факультативных анаэробов, например пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, используют как альтернативу дыханию только при отсутствии кислорода.

В отличие от фермента пируватдекарбоксилазы, что является специфическим для спиртового брожения и отсутствует у организмов, для которых характерно молочнокислого брожения (в том числе и человека), алкогольдегидрогеназа имеется у многих видов, которые могут использовать этанол в качестве источника энергии. В печени человека этот фермент катализирует реакцию обратную таковой у спиртовом брожении.

Библиография

  • (де) Gerolf Annemüller , Hans J. ясли и Питер Литц , Die Hefe в дере пивоварни. : Hefemanagement- Kulturhefe — Hefereinzucht — Hefepropagation im Bierherstellungsprozess , Берлин, Versuchs- u. Lehranstalt f. Брауэрай (VLB),2005 г., 424  с. ( ISBN  3-921690-50-1 )
  • (де) Эрнст Э. Брухманн , Angewandte Biochemie. Lebensmittelchemie, Gärungschemie, Agrarchemie. , Штутгарт, Ульмер,1976 г.( ISBN  3-8001-2301-0 ) (немного устарело).
  • (де) Гельмут Ганс Диттрих и Манфред Гроссманн , Mikrobiologie des Weines , Штутгарт, Verlag Eugen Ulmer,2005 г., 3 е  изд. , 240  с. ( ISBN  978-3-8001-4470-9 )
  • (автор) Адам Маурицио , Geschichte der gegorenen Getränke , Sändig,1993 г.( ISBN  3-253-02199-8 ) (Репродукция)
  • (де) Люберт Страйер , Биохимия , Гейдельберг, Спектрум,2007 г., 6- е  изд. , 1224  с. ( ISBN  978-3-8274-1800-5 )

Как выбрать дрожжи для пива

Выбор дрожжей для конкретного стиля пива достаточно сложный и не ограничивает разделением штаммов на «верховые» и «низовые»

Есть ряд параметров, которые обычно указываются производителем, на которые следует обратить внимание и, исходя из этих параметров, подбирать штамм для конкретно взятого случая. К таким параметрам обычно относят: степень сбраживания, характеристики флокуляции, толерантность к алкоголю и вкусо-ароматический профиль, который дрожжи сообщают пиву

Степень сбраживания

Сбраживание показывает, какой процент сахара потребляют дрожжи в процессе ферментации. Обычно этот показатель варьируется от 65% до 85%. Чем он меньше, тем больше в пиве остаётся сахаров после ферментации. Желательная степень сбраживания частично является вопросом стиля и отчасти личным предпочтением. Многие стили пива требуют остаточной сладости и один из способов добиться этого – подобрать правильный штамм дрожжей, со средней (73-77%) или низкой (до 72%) степенью сбраживания. Обычно производители различных штаммов дрожжей указывают диапазон их степени сбраживания, но следует понимать, что этот показатель зависит не только от дрожжей, а и от условий ферментации: температурного режима, плотности сусла и т.д.

Флокуляция дрожжей

Флокуляция – это готовность, с которой дрожжевые клетки после окончания ферментации слипаются и, достигнув критический массы, опускаются на дно ферментера, образуя плотный дрожжевой осадок. Каждый штамм дрожжей флокулирует в разной степени. Одни делают это хорошо, полностью оседая на дно ферментера, оставляя позади полностью прозрачное пиво. Другие, наоборот, флокулируют плохо, оставляя рыхлую пушистую массу дрожжей по всему объему отбродившего сусла.

Для элевых дрожжей флокуляция может быть низкой, средней и высокой, а вот лагерные, обычно, относят к среднефлокулирующим. С одной стороны, оставшиеся дрожжи делают пиво мутным и сообщают ему не всегда желаемый дрожжевой привкус, а с другой – некоторые стили в этом нуждаются. Слишком высокая флокуляция может уменьшить степень сбраживания, а также увеличить содержание некоторых побочных продуктов, которые поглощаются дрожжами в последнюю очередь (например, диацетил).

Производительность дрожжей по содержанию алкоголя

Толерантность к алкоголю описывает, сколько этилового спирта может выдержать дрожжевой штамм, прежде чем перестанет работать. Не многие штаммы выдерживают более 8% этилового спирта в сусле, но для большинства пивных стилей этого объема более чем достаточно. Если вы собираетесь варить крепкое пиво (Доппельбок, Айсбок, Балтийский Портер, Имперский Стаут и т.д.) или, например, вы решили использовать пивные дрожжи для приготовления браги для виски, вам точно понадобятся дрожжи с высокой толерантностью к алкоголю.

Польза дрожжей во вкусе пива

Каждый штамм дрожжей создаёт определённый вкусо-ароматический профиль, который соответствует тому или иному стилю пива и, обычно, описывается производителем этих дрожжей. Все штаммы, без исключения, производят в процессе ферментации различное количество побочных продуктов брожения, среди которых наиболее значимыми и влияющими на вкус и аромат, за исключением углекислого газа и этилового спирта, являются эфиры, фенолы, альдегиды и высшие спирты.

Эфирные соединения привносят в напиток фруктовый характер, что характерно для большинства элей и пшеничных сортов. Фенолы ассоциируются с пряностями. Высшие спирты (сивушное масло) участвуют в формировании сложных эфиров. Прежде чем покупать дрожжи определённого штамма, обязательно ознакомьтесь с их характеристиками, где обычно указывается, какие из вкусо-ароматических соединений они производят в большем количестве (обычно это характерно для элевых дрожжей).

Реакции спиртового брожения

Во время спиртового брожения расщепления глюкозы начинается гликолитическую путем (за исключением бактерии Zymomonas mobilis, в которой глюкоза метаболизируется по пути Энтнера-Дудорова). В гликолитических реакциях глюкоза расщепляется и окисляется до двух молекул пирувата, происходит субстратно фосфорилирования двух молекул АДФ с образованием АТФ, а также восстанавливаются до НАДH две молекулы НАД +. При аэробных условиях НАДH снова окисляется отдавая электроны через ряд посредников в молекулярный кислород, и тогда снова может быть использован в процессе гликолиза. В анаэробных условиях регенерация НАД + происходит в конечных этапах брожения, во время которых акцептором электронов является сам пируват или его производные: в случае спиртового брожения — ацетальдегид.

Ацетальдегид образуется из пирувата путем декарбоксилирования (отщепление углекислого газа), которое катализируется пируватдекарбоксилазы. Этот фермент требует присутствия ионов Mg 2+ и содержит ковалентно присоединен кофермент тиаминпирофосфат.

Следующим шагом является восстановление ацетальдегида к этиловому спирту благодаря переносу гидрид иона с НАДH, образованного в гликолизе. Реакция происходит при участии фермента алкогольдегидрогеназы, содержащий в активном центре ион цинка, который поляризует карбонильную группу субстрата облегчая присоединение гидрида.

Итак конечными продуктами спиртового брожения на одну молекулу глюкозы есть две молекулы этилового спирта, две молекулы CO 2, и две молекулы АТФ. В итоге не происходит ни окисления ни восстановления глюкозы (соотношение C: H одинаковое для исходных веществ (глюкоза) и продуктов (этанол + углекислый газ) и составляет 1: 2).

История изучения[править | править код]

Эдуард Бухнер

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. Хотя Пастер убедительно доказал, что брожение осуществляют микроорганизмы, что именно в них отвечает за этот процесс, оставалось неизвестным. 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.

Реакции спиртового брожения

Во время спиртового брожения расщепления глюкозы начинается гликолитическую путем (за исключением бактерии Zymomonas mobilis, в которой глюкоза метаболизируется по пути Энтнера-Дудорова). В гликолитических реакциях глюкоза расщепляется и окисляется до двух молекул пирувата, происходит субстратно фосфорилирования двух молекул АДФ с образованием АТФ, а также восстанавливаются до НАДH две молекулы НАД +. При аэробных условиях НАДH снова окисляется отдавая электроны через ряд посредников в молекулярный кислород, и тогда снова может быть использован в процессе гликолиза. В анаэробных условиях регенерация НАД + происходит в конечных этапах брожения, во время которых акцептором электронов является сам пируват или его производные: в случае спиртового брожения — ацетальдегид.

Ацетальдегид образуется из пирувата путем декарбоксилирования (отщепление углекислого газа), которое катализируется пируватдекарбоксилазы. Этот фермент требует присутствия ионов Mg 2+ и содержит ковалентно присоединен кофермент тиаминпирофосфат.

Следующим шагом является восстановление ацетальдегида к этиловому спирту благодаря переносу гидрид иона с НАДH, образованного в гликолизе. Реакция происходит при участии фермента алкогольдегидрогеназы, содержащий в активном центре ион цинка, который поляризует карбонильную группу субстрата облегчая присоединение гидрида.

Итак конечными продуктами спиртового брожения на одну молекулу глюкозы есть две молекулы этилового спирта, две молекулы CO 2, и две молекулы АТФ. В итоге не происходит ни окисления ни восстановления глюкозы (соотношение C: H одинаковое для исходных веществ (глюкоза) и продуктов (этанол + углекислый газ) и составляет 1: 2).

Биологическая роль глюкозы:

В организме человека и животных глюкоза является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов. Глюкоза является ценным питательным веществом. При окислении глюкозы в тканях человека и животных освобождается энергия, необходимая для нормальной жизнедеятельности организмов.

Глюкоза депонируется у человека и животных в виде гликогена, который хранится преимущественно в клетках печени (гепатоцитах) и скелетных мышцах. В крови человека также содержится порядка 5-6 г глюкозы. Уровень глюкозы в крови человека постоянен. Данного количества глюкозы достаточно для покрытия энергетических затрат организма в течение 15 минут его жизнедеятельности.

У растений глюкоза образуется в результате фотосинтеза и накапливается в виде крахмала и целлюлозы. Последняя представляет собой составную часть оболочки клеток растений, обеспечивая механическую прочность и эластичность растительной ткани.

Примечания

  1. Шлегель Г. Общая микробиология. М., Мир, 1987, с.263
  2. Брожение, Большая советская энциклопедия.
  3. Брожение // Толковый словарь русского языка / Под ред. Д. Н. Ушакова. — М.: Государственный институт «Советская энциклопедия», ОГИЗ, 1935. — Т. 1.
  4. Квашение, Большая советская энциклопедия.
  5. Квашение, Толковый словарь Ожегова.
  6. Ферментация, Словарь микробиологии.
  7. Ферментация, Современный толковый словарь русского языка Ефремовой.
  8. dictinary.ru.
  9. XuMuK.ru — БРОЖЕНИЕ — Химическая энциклопедия
  10. Брожение виноградного сусла // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  11. Метановое брожение

Применение процесса спиртового брожения в промышленности

Одна из основных областей, где используется ферментация дрожжей – это пищевая промышленность. В частности, в производстве алкогольных напитков используется спиртовое брожение глюкозы как основная процедура для получения начального сусла. Также на таком брожении основано хлебопекарное производство.

В изготовлении спирта используют верховые дрожжи. Они очень быстро сбраживают сахар. При этом они обладают устойчивостью к спирту. Большую роль дрожжи играют в пивной промышленности. В виноделии до некоторого времени не использовались специальные культурные дрожжи. Для производства вина использовалось сырье, находящееся на виноградных плодах. С его помощью и происходило спиртовое брожение дрожжей для получения необходимой продукции.

Но с внедрением в виноделие культурных групп стало возможным получение быстрого сбраживания и в итоге создание более чистого вида продукта. Также спиртовая ферментация применяется и в производстве браги.

Создание идеальных условия для правильной браги

Для получения качественного самогона необходимо подобрать идеальное соотношение исходных ингредиентов и условий, при которых бродит брага.

Для начала подготавливают компоненты будущего напитка. Вода должна быть максимально очищена от вредных примесей. Можно использовать покупную фильтрованную или водопроводную, но отстоявшуюся в течение 2 дней. Кипятить воду не рекомендуют, т.к. при этом удаляется растворенный кислород.

Сахар используют свекольный. Но многие рекомендуют использовать инвертированные сахара, это улучшает вкус будущего продукта, облегчает процесс брожения.

При выборе дрожжей обращают внимание на их вид и возраст: чем старше, тем хуже они перерабатывают сахар. Наиболее дешевые и чаще используемые в домашних условиях — хлебопекарные, но они выделяют много диоксида углерода и активны только до 12 %об

спирта. Для производства самогона оптимальны спиртовые дрожжи:

  • меньше углекислого газа;
  • активность — до 18-23 %об. алкоголя;
  • меньше сроки сбраживания.

На следующем этапе выбирают гидромодуль, рекомендуют проводить брожение при соотношении сахара и воды от 1:3 до 1:5. В данном случае будет много зависеть от объема тары, наличия свободного пространства для хранения и других факторов.

Температура брожения для получения правильного алкоголя желательно должна быть постоянной. Дрожжи плохо переносят тепловые колебания, особенно быстрый нагрев. Зимой большинство домашних кулинаров используют аквариумный нагреватель. Его удобство в том, что температура нагрева ограничена по термостату, что уменьшает риск перегрева браги.

Для расчета берут от 1 до 4 ватт мощности на 1 л раствора в зависимости от температуры помещения. Преимущественно это нагреватели погружного типа, располагают прибор на дне тары

При покупке устройства нужно обратить внимание на отзывы об его качестве. Некоторые модели не держат нужную температуру, приводя к варке браги

Удобно, когда терморегулятор внешний. Розетка для включения располагают выше емкости и на расстоянии. Если установлен гидрозатвор (не всегда нужен для сахарной браги), то придется самостоятельно усовершенствовать устройство — необходимо провести провод через крышку тары. Включение и выключение из сети производится при погруженном в жидкость нагревателе. Необходимо соблюдать технику безопасности при работе с электроприборами.

Сейчас выпускают специальный нагреватель для браги, он также прекрасно регулирует температуру и оснащен надежными термостатами. При таком способе подогрева готовить брагу желательно только на сахаре, другие продукты (фрукты, изюм и прочее) быстро приводят к их неисправности.

Некоторые используют пленки «теплого пола», оборачивая ими тару или стенки и пол вокруг. Можно просто расположить кусок такой пленки под емкостью. Метод удобен обогревом извне, но стоит дороже аквариумного нагревателя. Для поддержания постоянной температуры подойдут теплоизоляционные материалы, которыми также оборачивают тару.

Летом чаще всего нет необходимости в дополнительном подогреве, при этом нужно учитывать самонагрев смеси из-за выделения тепла в процессе брожения. Для дрожжей отклонения температуры в меньшую или большую сторону могут быть критичными, приводя к остановке роста колонии. Контролировать температуру можно с помощью водного термометра.

Какими устройствами можно поддержать оптимальную температуру браги

Каких-то специализированных решений пока что нет, поэтому будем пользоваться смекалкой и опытом других самогонщиков. Ниже будут описаны три самых известных способа, которые помогут вам сохранить содержимое бродильной ёмкости в определенных условиях.

Аквариумный водонагреватель с терморегулятором

Только не смейтесь, он действительно эффективно работает. Выставляем необходимые градусы, опускаем на дно бродильной ёмкости и отслеживаем температуру самой браги. Она будет немного выше за счёт активных химических реакций, поэтому лучше уменьшить мощность на 2–3 градуса.

Электрогрелка для пояса

Принцип действия следующий: обматываем грелку вокруг бродильной ёмкости, выставляем необходимые градусы и включаем. В холодном помещении, может быть, она и не решит всей проблемы, но эффект от неё будет 100%.

Подогреваемый коврик

В данном случае бродильная ёмкость просто ставится на подогреваемое местечко и тепло идёт от пола. Учитывая то, что холод опускается, а тепло поднимается, нагревать жидкость снизу является очень правильным решением.

Индивидуальные доказательства

  1. Эдуард Бюхнер: Спиртовое брожение без дрожжевых клеток. В: Отчеты Немецкого химического общества. 30, 1897, стр. 1110-1113, DOI: 10.1002 / cber.189703001215 .
  2. Э. Негелейн, Х. Дж. Вульф: Дифосфопиридинпротеид, спирт, ацетальдегид. В: Биохимический журнал . Springer, Berlin 293, 1937, стр. 352-389.
  3. Клаус Кошель: Развитие и дифференциация предмета химия в Вюрцбургском университете. В: Питер Баумгарт (Ред.): Четыреста лет Вюрцбургскому университету. Памятное издание. (= Источники и вклады в историю Вюрцбургского университета. Том 6). Degener & Co. (Герхард Гесснер), Нойштадт-ан-дер-Айш, 1982, ISBN 3-7686-9062-8 , стр. 703-749; здесь: с. 729.
  4. JP van Dijken, RA Weusthuis, JT Pronk: Кинетика роста и потребления сахара у дрожжей. В: Антони Ван Левенгук. В кн . : Международный журнал общей и молекулярной микробиологии.
  5. К. Тономура: Ферментация этанола в бактериях. В: Сэйкагаку. Журнал Японского биохимического общества. Gakkai, Tokyo 59,10,1987, стр. 1148-1154.
  6. Т.В. Киммерер, Р.К. Макдональд: Биосинтез ацетальдегида и этанола в листьях растений. В кн . : Физиология растений.
  7. Катарина Мунк (ред.): Карманный учебник Биология: Микробиология . Thieme Verlag, Штутгарт, 2008 г., ISBN 978-3-13-144861-3 , стр. 378-379.
  8. Э. Обердисс, Э. Хакенталь, К. Кущинский: Pharmakologie und Toxikologie . Springer, 2002, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк, ISBN 978-3-642-62634-0 , стр.791.
  9. Дж. Пискур и др.: Как Saccharomyces эволюционировали, чтобы стать хорошим пивоваром? В кн . : Тенденции генетики .
  10. Дж. Блом, М. Дж. Де Маттос, Л. А. Гривелл: Перенаправление распределения респиро-ферментативного потока в Saccharomyces cerevisiae за счет сверхэкспрессии фактора транскрипции Hap4p. В кн . : Прикладная и экологическая микробиология .
  11. Гельмут Ганс Диттрих, Манфред Гроссманн: Микробиология вина. 3-е издание. Verlag Eugen Ulmer, Штутгарт 2005, с. 39.
  12. Гельмут Ганс Диттрих, Манфред Гроссманн: Микробиология вина. 3-е издание. Verlag Eugen Ulmer, Штутгарт 2005, стр. 22 и 42
Эта статья была добавлена в список отличных статей 25 июля 2006 года в этой версии .

Биохимия

Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза

Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов — единственный источник АТФ в анаэробных условиях

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высокоокисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

История исследований

Уже в доисторические времена охотники и собиратели производили спиртные напитки. В 1815 году французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак впервые установил грубое уравнение реакции для разложения глюкозы в этанол. Затем сложились разные взгляды на процесс брожения. В то время как в 1830-х годах Йенс Якоб Берцелиус и Юстус фон Либих приписывали каталитический эффект определенным веществам с помощью «механистической теории брожения» , Шарль Каньяр-Латур , Теодор Шванн и Фридрих Трауготт Кютцинг независимо друг от друга полагали, что живые существа , а именно дрожжи , были ответственны за это. В 1857 году Луи Пастер постулировал «виталистическую теорию ферментации», согласно которой алкогольная ферментация возможна только в связи с живыми клетками.

Этот спор был разрешен 11 января 1897 года химиком Эдуардом Бюхнером с публикацией о доказательстве алкогольного брожения с использованием бесклеточного дрожжевого экстракта. Он сделал вещество зимазу — согласно современным представлениям смесью различных ферментов — ответственным за превращение сахара в этанол и получил Нобелевскую премию по химии в 1907 году «за свои биохимические исследования и открытие бесклеточной ферментации». Более тщательные исследования Артура Хардена и Уильяма Джона Янга привели к открытию фосфорилированного промежуточного соединения: сложного эфира Хардена-Янга, известного как фруктозо-1,6-бисфосфат . Вместе Харден и Ханс фон Эйлер-Челпин получили Нобелевскую премию по химии в 1929 году за свои «исследования ферментации сахара и роли ферментов в этом процессе». После того, как частичные реакции были уточнены по кусочкам и схемами для процесса ферментации были составлены, Отто Варбург определил в кофакторе никотинамид аденин динуклеотид (NADH) в качестве основного компонента процесса ферментации. Эрвину Негелейну и Гансу Иоахиму Вульфу удалось кристаллизовать фермент ферментации алкогольдегидрогеназу еще в 1937 году .

Другими исследователями, которые после Бюхнера способствовали открытию ферментной цепи в алкогольной ферментации, были Карл Нойберг , Густав Эмбден , Отто Фриц Мейерхоф , Якуб Кароль Парнас , Карл Ломанн, а также Герти Кори и Карл Фердинанд Кори .

Тем временем ферменты различных видов, участвующих в ферментации, были выделены и охарактеризованы биохимически ( оптимум pH, оптимум температуры, скорость реакции, скорость превращения). Анализ кристаллической структуры дал первое представление об их молекулярной структуре. Есть знания о механизмах реакции. В общем, можно проводить сравнения между видами. Расшифрованные гены , которые содержат схемы этих ферментов, предоставляют информацию об их эволюционном происхождении и их возможной исходной функции.