Спиртовое брожение. 
Основы микробиологии

Основным возбудителем спиртового брожения служат дрожжи. Традиционно их применяют в хлебопечении, для получения спирта и целого ряда других продуктов. В бродильных производствах используют представителей родов Saccharomyces (S. cerevisiae, S. globosus, S. vini и др.) и Schizosaccharomyces (S. ротре и S. ostosporus'). В небольших количествах спирт может накапливаться в среде, содержащей углеводы, при развитии в ней отдельных видов грибов родов Aspergillus (A. oryzae). Мисог и Fusarium и бактерий (Zymomonas mobilis, Z. anaerobica, Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora и др.). Дрожжи широко распространены в природе: в почвах, на поверхности растений и т. д.

При доступе кислорода воздуха дрожжи, вызывающие брожение, начинают окислять углеводы, т. е. от брожения переходят к аэробному дыханию с образованием С0₂ и Н₂0. Таким образом, в анаэробных условиях дрожжи получают энергию от сбраживания углеводов, в присутствии кислорода воздуха — за счет аэробного дыхания. Явление подавления спиртового брожения в аэробных условиях (в присутствии О₂) носит название эффекта Пастера.

Как указывалось выше, аэробное дыхание дает значительно больше энергии, чем брожение, поэтому для получения такого же количества молекул АТФ при таком дыхании необходимо меньше углеводов. Следовательно, коэффициент использования углеводов увеличивается. Для получения большей массы дрожжей, например при производстве пекарских дрожжей, питательную среду, в которой происходит их размножение, аэрируют. Наоборот, при производстве спирта процесс ведется в анаэробных условиях, чтобы полностью исключить выделение 0₂, тормозящего образование этилового спирта.

Сбраживание углеводов дрожжами с образованием этанола и С0₂ идет гликолитическим путем (Эмбдена — Мейергофа — Парнаса). Образовавшийся в результате пируват под влиянием пируватдекарбоксилазы превращается в ацетальдегид, который затем восстанавливается НАД • Н₂-алкогольдегидрогеназой до этанола; при этом используется водород, мобилизуемый при окислении глицеральдегид-3-фосфата:

Суммарное уравнение спиртового брожения:

В начале спиртового брожения дигидроксиацетонфосфат также выполняет роль акцептора водорода, пока не накопится ацетальдегид, необходимый для окисления НАД • Н₂. Этим объясняется особый период индукции в начале брожения, во время которого появляется глицерин. Одновременно глицеральдегид-3-фосфат превращается согласно реакциям гликолитического пути в пируват, а после декарбоксилирования — в ацетальдегид.

Однако ацетальдегид не может восстанавливаться в этанол, так как НАД • Н₂ уже использован для образования глицерина из дигидроксиацетонфосфата. Поэтому при образовании в процессе брожения одной молекулы глицерина накапливается одна молекула пирувата или ацетальдегида, которая в этанол не превращается. Следовательно, в начале спиртового брожения преобладает глицеринпируватное брожение, приводящее к образованию глицерина и пирувата. Последний обнаруживается в небольших количествах, так как основная его часть идет на образование вторичных продуктов — уксусной, молочной, янтарной, пропионовой и других кислот, а также диацетила, ацетоина, различных альдегидов и сложных эфиров.

Кроме вторичных продуктов, при спиртовом брожении образуются побочные продукты — высшие спирты, или так называемые сивушные масла. К этим соединениям относятся амиловый, изоамиловый, бутиловый, пропиловый и ароматические спирты (|3-фенилэтиловый, п-оксифенилэтиловый). Перечисленные вещества образуются из соответствующих кетокислот, синтезированных в процессе метаболизма углеводов, или из аминокислот.

Обычно спиртовое брожение протекает при кислой реакции среды (pH 4—5). Если реакцию питательного субстрата поддерживать на щелочном уровне (около pH 8), то одним из основных продуктов брожения будет глицерин:

Резко повышается выход глицерина, если брожение протекает еще и в присутствии бисульфита натрия. В таком случае ацетальдегид связывается бисульфитом натрия и не может быть восстановлен водородом в этиловый спирт:

Акцептором водорода служит промежуточное соединение — дигидроксиацетонфосфат, превращающееся сначала в глицерин-3-фосфат, а после отщепления фосфатной группы — в глицерин. В некоторых случаях бывает целесообразно получать глицерин и амиловый спирт при спиртовом брожении. Подобные производства существуют.

Наибольшее практическое значение имеет вид дрожжей Saccharomyces cerevisiae. К нему относят расы, используемые в хлебопечении, производстве спирта, пивоварении, виноделии, производстве кваса.

Дрожжи сбраживают не все сахара. Обычно они хорошо усваивают гексозы. Пентозы могут ассимилировать лишь весьма ограниченное число видов. Неплохо используют дрожжи дисахариды, но каждый вид микроорганизма способен усваивать лишь строго определенный их набор. Перед сбраживанием более сложные сахара под влиянием ферментов дрожжевой клетки распадаются на моносахариды.

Отдельные виды могут усваивать простые декстрины. Крахмал становится пригодным для спиртового брожения лишь после предварительного осахаривания при помощи солода (или другими способами). На многих заводах для спиртового брожения используют целлюлозу, предварительно подвергая ее кислотному гидролизу. В аэробных условиях дрожжи способны окислять органические кислоты и другие соединения.

Источником азотного питания для дрожжей служат небольшие пептиды, аминокислоты, а также аммонийные соли, реже нитраты и нитриты. Дрожжевая клетка вырабатывает многие витамины, а присутствие отдельных ростовых веществ в среде усиливает рост дрожжей. Большинство дрожжей растет в границах pH 3—8 при оптимуме pH 3,5—6,5. Обычно они развиваются в относительно широком температурном диапазоне от 0 (или -7 °С) до 50 °C. Оптимальная температура для роста большинства видов 28—30 °С.

Штаммы Saccharomyces cerevisiae подразделяют на расы верхового и низового брожения. Первые используют для брожения, протекающего при температуре 14—25 °С. В таких условиях обильно выделяется диоксид углерода, наблюдается пенообразование. Клетки микроорганизмов поднимаются на поверхность бродящей жидкости. Верховые расы используют в спиртовой промышленности, хлебопечении и т. д., но при некоторых условиях употребляют и другие дрожжи.

Дрожжи низового брожения применяют в производстве при температуре 6—10 °С и ниже (до 0 °С). При этом брожение совершается спокойно и масса дрожжевых клеток остается на дне сосуда. Низовые расы обычно используют в пивоварении и виноделии, где применяют расы Saccharomyces cerevisiae, адаптированные, однако, к жизнедеятельности при пониженной температуре. В виноделии важную роль играют также дрожжи Saccharomyces vini, S. cerevisiae var. ellipsoides.

Как указывалось выше, дрожжи могут расти при нейтральной реакции среды, но активнее процессы идут при некотором подкислении. На практике для предупреждения развития посторонней бактериальной микрофлоры при размножении дрожжей создают кислую среду.

Значение спиртового брожения очень велико. Известно, что этот процесс лежит в основе не только виноделия, пивоварения, производства спирта, хлебопечения, но и получения кваса и некоторых кисломолочных продуктов (кефира, кумыса и др.). В промышленности широко используют чистые культуры дрожжей, обеспечивающие наиболее правильное течение процесса, а также получение качественной продукции. На деятельности дрожжей и близких к ним организмов основано и приготовление кормового белка. При культивировании их на средах с дешевым источником углеродного питания (меласса, отходы целлюлозной или текстильной промышленности, метанол, этанол и др.) удается получать значительную массу, содержащую полноценный белок. Дрожжи сепарируют и используют для кормовых целей. Разработан и способ выращивания кормовых дрожжей на отходах нефтяной промышленности.

Некоторые виды дрожжей накапливают в своих клетках большое количество жира. Подобные организмы, получившие техническое название «жировые», предложено применять для микробиологического получения ценных технических жиров. Существуют формы дрожжей, накапливающие значительные количества витаминов, на основе данного свойства построены производства витаминов для медицины и сельского хозяйства.

Не все дрожжи приносят пользу человеку, многие способны вызывать только окисление углеводов. Среди не бродящих дрожжей есть вредители пищевых продуктов и вина.