Спиртовое брожение. 
Микробиология: теория и практика

Исторически первым было изучено спиртовое брожение у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи, как и большинство грибов, осуществляют аэробное дыхание, однако в отсутствии кислорода они способны сбраживать углеводы до этанола и углекислоты в соответствие с реакцией: С₆Н₁₂0₆ -" 2С0₂ + 2С₂Н₅ОН (рис. 7.6). При этом пируват образуется в процессе гликолиза.

Рис. 7.6. Схема спиртового брожения у дрожжей и бактерий рода Sarcina.

Бактерии рода Sarcina образуют этанол тем же путем, что и дрожжи.

Дрожжевое спиртовое брожение происходит при температурах до 30 °C, поэтому саморазогрев бродящей массы является серьезной проблемой при производстве этанола и спиртосодержащих напитков. Этанол, образуемый дрожжами, не является для них «безразличным» соединением, так как уже 1—2%-й этанол может увеличивать текучесть мембран, и они перестают поддерживать градиент протонов. Дрожжи относятся к спиртотолерантным микроорганизмам — они способны выдерживать 9—12% (об.) этанола. Наиболее экстремальными в этом отношении являются дрожжи расы sake (до 18%). Они используются для приготовления рисовой водки (саке). Процесс начинается с расщепления крахмала риса плесневыми грибами рода Aspergillus, образующими амилазы. Полученные олигои моносахара дрожжи сбраживают до этанола.

Дрожжи не могут существовать в анаэробных условиях постоянно. Обычно они останавливаются в росте после 5—6 делений, так как одна из стадий синтеза их мембранных фосфолипидов требует присутствия кислорода. При наличии ~0,02% кислорода дрожжи переключаются на аэробное дыхание, при котором образуется в 20 раз больше биомассы и синтезируется значительно больше АТФ. Процесс брожения, наоборот, подавляется, а явление носит название эффект Пастера. В то же время при избыточной концентрации сахара в среде наблюдается эффект Крэбтри, когда дрожжи даже в присутствии кислорода сохраняют высокую активность брожения и не переходят на аэробное дыхание.

Изучая спиртовое брожение дрожжей, немецкий исследователь Карл Нейберг показал, что при добавлении некоторых химических веществ к бродящей массе можно получить измененный состав продуктов брожения. Нормальное дрожжевое брожение К. Нейберг называл I формой. При связывании ацетальдегида бисульфитом (NaHS0₃ + СН₃СНО —> —" CH₃CH0H-S0₃Na) акцептором водорода становится диоксиацетонфосфат (ДОАФ), который восстанавливается и дефосфорилируется до глицерола. Суммарная реакция брожения в этом случае выглядит так:

глюкоза + бисульфит натрия —> глицерол + ацетальдегидсульфит + С0₂.

Такая модификация известна как II форма брожения по Нейбергу. Этот прием успешно используется в биотехнологии для получения глицерола. При изменении pH среды с помощью NaHC0₃ или Na₂HP0₄ брожение принимает III форму по Нейбергу. При этом ацетальдегид превращается путем реакции дисмутации в этанол и ацетат, а акцептором водорода опять становится ДОАФ, образуя глицерол по реакции.

Некоторые бактерии способны осуществлять процесс спиртового брожения при повышенных температурах. Например, подвижный палочковидный микроорганизм Zymomonas mobilis способен сбраживать сахара при 45 °C. Этот монотрих был выделен из сброженного сока агавы (пульке), из которого путем перегонки получают известный алкогольный напиток текилу. Zymomonas mobilis, в отличие от дрожжей, превращает глюкозу в пируват по КДФГ-пути.

Некоторые клостридии и энтеробактерии проводят процессы брожения, в которых этанол является одним из продуктов (рис. 7.7). В зависимости от условий соотношение веществ (ацетат, этанол, С0₂, лактат) может значительно варьировать.

В гетероферментативном молочнокислом брожении этанол образуется как минорный продукт (например, у Leuconostoc mesenteroides).