Типы брожения

Типы брожения Спиртовое брожение Этиловый спирт (этанол) — один из широко распространенных продуктов сбраживания сахаров микроорганизмами. Главные продуценты этанола - дрожжи, в частности, Saccharomyces cerevisiae. Термин «дрожжи» не является таксономическим, он включает представителей аскомицетов, базидиомицетов, дейтеромицетов. Дрожжи, как и большинство других грибов, осуществляют аэробное дыхание, но без доступа воздуха они сбраживают углеводы до этанола и СО2. У ряда анаэробных и факультативно анаэробных бактерий этиловый спирт тоже является главным или побочным продуктом сбраживания гексоз или пентоз.
Сбраживание глюкозы до пирувата дрожжами осуществляется по гликолитическому пути. Дальнейшее превращение пирувата в этанол происходит в два этапа. Сначала пируват декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой до ацетальдегида, а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой до этанола при участии НАДН:
Глюкоза 2 пируват
2 НАД 2 НАДН 2 СО2этанол 2 ацетальдегид
Суммарная реакция спиртового брожения:
С6Н12О6→ 2С2Н5ОН + 2СО2.
Изучение дрожжевого спиртового брожения привело к возможности управлять этим процессом в плане получения конечных продуктов. Карл Нейберг показал, что в зависимости от того какое соединение является конечным акцептором протонов при брожении будет зависеть состав конечных продуктов. Нейберг выявил 3 формы сбраживания.
Первая форма сбраживания. Классическое спиртовое брожение Нейберг назвал первой формой брожения. В этом случае конечный акцептор протона - это ацетальдегид, при восстановлении которого образуется этанол (рис. 1 А).
Рис. 1. Спиртовое (А) и глицериновое (Б) брожение.
Вторая форма сбраживания. Нейберг показал, что если к бродящим дрожжам добавить бисульфит, то он будет связывать ацетальдегид, и основным продуктом станет глицерол:
СН3-СНО + NaHSO3→ CH3-CHOH-SO3Na
Третья форма сбраживания. При добавлении к бродящему раствору NaHCO3 или Na2HPO4 тоже образуется глицерол, так как ацетальдегид превращается в результате реакции дисмутации в этанол и уксусную кислоту и поэтому не может быть использован в качестве акцептора протонов:
2 глюкоза + Н2О → этанол + ацетат + 2 глицерол + 2СО2.
Третью форму сбраживания по Нейбергу надо учитывать при изготовлении домашних вин. При подщелачивании может наряду с этанолом образовываться уксусная кислота, которая ухудшает качество вина, делая его кислым.
Образование этанола бактериями. Известный для дрожжей путь образования этанола (гликолиз, пируватдекарбоксилазная реакция) из всех исследованных бактерий обнаружен только у Sarcina ventriculi.
Из пульке - бродящего сока агавы - в Мексике была выделена палочковидная подвижная бактерия с полярными жгутиками, образующая этанол. Эта бактерия Zygomonas mobilis разлагает глюкозу по пути Энтнера- Дудорова и расщепляет пируват с помощью пируватдекарбоксилазы на ацетальдегид и двуокись углерода. Ацетальдегид восстанавливается до этанола.
При брожениях, вызываемых некоторыми видами семейства
Enterobacteriaceae и клостридиями, этанол является побочным продуктом. Предшественник этанола - ацетальдегид — образуется в этом случае не прямо из пирувата, а путем восстановления ацетил-СоА.
Совершенно иным путем образуют этиловый спирт гетероферментативные молочнокислые бактерии (например, Leuconostocmesenteroides). Глюкоза разлагается ими по пентозофосфатному пути до пентозофосфата. На ксилулозо-5-фосфат воздействует фосфокетолаза:
Ксилулозо-5-фосфат + Фн → ацетилфосфат + глицеральдегид-3-фосфат
Образовавшийся ацетилфосфат восстанавливается в этанол. Существуют также другие виды брожения такие, как молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое, гомоацетатное, муравьикислое.
Муравьинокислое брожение Некоторые микроорганизмы, образующие при брожении кислоты, объединяют в одну физиологическую группу на том основании, что характерным продуктом брожения является у них муравьиная кислота. Большинство энтеробактерий могут расщеплять муравьиную кислоту на Н2 и СО2 при участии фермента формиатгидрогенлиазы: НСООН → Н2 + СО2. Наряду с муравьиной кислотой образуется большое число различных соединений: уксусная, янтарная и молочная кислоты, этанол, глицерол, ацетоин, 2,3-бутандиол, углекислый газ и молекулярный водород. Вот поэтому такое брожение также называют брожением «смешанного типа» (рис. 3).
При муравьинокислом брожении гексозы расщепляются в основном по гексозобисфосфатному (гликолиз) пути. В зависимости от того, какие продукты брожения выделяются в анаэробных условиях, различают два типа процессов: А - при брожении, характерном для Escherichia coli, образуются главным образом кислоты и совсем не образуется бутандиол (рис. 3А); Б - при брожении, характерном для Enterobacter, основной продукт - бутандиол, кислоты же занимают второе место (рис. 3Б).
А
Рис. 3. Муравьинокислое брожение (А).
Б
Рис. 3. Муравьинокислое брожение (Б).
А - смешанное и Б - бутандиоловое брожение.
1.ферменты гликолиза; 2. Лактатдегидрогеназа;
3. Пируватформиат-лиаза; 4. Формиатгидрогенлиаза;
5. Ацетальдегиддегидрогеназа; 6. Алкогольдегидрогеназа;
7. Фосфотрансацетилаза; 8. Ацетаткиназа; 9. ФЕП-карбоксилаза;
Малатдегидрогеназа, фумаратгидратаза и фумаратредуктаза;
a-ацетолактат-декарбоксилаза; 12. 2,3-бутандиолдегидрогеназа.
Возбудителями муравьинокислого брожения являются представители бактерий кишечной группы или семейства Enterobacteriaceae: Enterobacter, Erwinia, Escherichia, Klebsiella, Salmonella, Serratia, Shigella, Yersinia и другие. Это грамотрицательные подвижные палочки с перитрихиальным типом жгутикования. Эти бактерии способны получать энергию как в процессе дыхания, так и в процессе брожения.
Наиболее важные виды. Escherichia coli – обитатель кишечника. Эта бактерия может некоторое время сохранять жизнеспособность и вне кишечника, и ее легко выявить. Этим пользуются для того, чтобы обнаружить загрязнение питьевой воды фекалиями. При брожении смешанного типа гексозы используются в основном по гликолитическому пути, и только у незначительной части микроорганизмов – по пентозофосфатному пути. Катаболизм глюконата проходит по пути Энтнера – Дудорова. В зависимости от того, какие продукты образуются при брожении смешанного типа, различают две его разновидности. 1. Брожение, характерное для бактерий родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Citrobacter, Yersinia и др., при котором образуются главным образом кислоты (молочная, уксусная, янтарная, муравьиная). Кроме органических кислот, выделяются газообразные продукты СО2 и Н2 (в соотношении 1:1), образуется этанол и совсем не синтезируется 2,3-бутандиол.
Выход АТФ в этом случае составляет 2–2,5 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Кроме двух молекул АТФ, образующихся в процессе гликолиза, еще некоторое количество АТФ синтезируется в реакции, катализируемой ацетаткиназой. Такой тип смешанного брожения осуществляется также в клетках некоторых видов бактерий родов Aeromonas, Beneckea и Photobacterium.
Proteusvulgaris тоже принадлежит к нормальной кишечной флоре, но, кроме того, широко распространен в почве и воде. Эта бактерия известна своей способностью к изменению формы и большой подвижностью, а также способностью образовывать на поверхности агара сплошную пленку. Enterobacteraerogenes – эта бактерия широко распространена в почве, образует много газообразных продуктов.
К роду Erwiniaотносятся некоторые фитопатогенные виды,
поражающие стебли, листья, корни. В результате выделения пектиназ они вызывают мягкие гнили.
Salmonellatyphimurium – самая распространенная из бактерий, вызывающих гастроэнтерит; в основе симптомов лежит раздражение
слизистой желудочно-кишечного тракта выделяемыми липополисахаридными токсинами бактерии. S. thyphi является возбудителем эпидемического брюшного тифа.
Поскольку энтеробактерии, в частности E. coli, является типичным представителем кишечной микрофлоры, то степень биологического загрязнения воды оценивают по коли-титру и коли-индексу. Коли-титром называется наименьший объем воды в миллилитрах или сухого вещества в граммах, в котором обнаруживается хотя бы одна E.coli. Коли-индексом называется число кишечных палочек, обнаруженных в 1 л воды. По существующим нормативам вода считается качественной, если коли-индекс ее не более 3, а коли-титр не менее 300. Для перевода коли-титра в колииндекс 1000 делят на показатель коли-титра, а для перевода коли-индекса в коли-титр 1000 делят на число, выражающее коли-индекс.