Спиртовое брожение

Процесс превращения микроорганизмами содержащегося в субстрате сахара в спирт и углекислый газ получил название спиртового брожения. Человечество знало и использовало этот микробиологический процесс в своей жизни значительно раньше, чем был открыт мир микроорганизмов. Упоминания о приготовлении опьяняющих напитков из винограда, плодов, ягод, зерна и пр. встречаются в древнейших летописях многих стран и народов.

В настоящее время о спиртовом брожении утвердилось представление как о сложном биохимическом процессе: сбраживание сахара живыми дрожжевыми клетками рассматривается как важнейшая часть их обмена веществ.

Возбудители спиртового брожения

Наиболее энергичными возбудителями спиртового брожения являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae (рис. 21). Они очень широко распространены в природе и встречаются в почве, в воздухе, на фруктах, винограде, ягодах, особенно в летнее время.

Кроме дрожжей, возбуждать спиртовое брожение способны и отдельные представители плесневых грибов, дрожжеподобные организмы и некоторые бактерии. Спиртовое брожение, возбуждаемое плесневыми грибами и бактериями, протекает с иными количественными соотношениями между основными и побочными продуктами, а также с образованием таких веществ, которые не возникают при брожении, возбуждаемом дрожжами.

При недостатке кислорода спиртовое брожение наблюдается в клетках высших растений. При неправильном хранении сырья на приемной площадке консервного завода (навалом, без достаточной вентиляции и при высокой температуре) в растительных клетках наблюдается переход от нормального аэробного дыхания к анаэробному дыханию, при котором расщепление сахара протекает с образованием спирта и CO2. Свойства плодов и овощей при этом резко ухудшаются. Растительные клетки становятся дряблыми, изменяется химический состав сока. От сохраняемой массы сырья начинает исходить «спиртовой» запах. В конечном итоге значительное накопление спирта приводит к отмиранию растительных тканей. Плоды и овощи утрачивают естественный иммунитет и легко подвергаются микробиальной порче.

Химизм спиртового (алкогольного) брожения

В раскрытие химизма спиртового брожения много творческого труда было вложено нашими отечественными учеными, особенно Л. А. Ивановым, С. П. Костычевым, А. Н. Лебедевым, А. Е. Фаворским, а также зарубежными учеными - Нейбергом, Мейергофом и другими, которые с достаточной полнотой и достоверностью установили следующие положения:

1. Брожение является целиком ферментативным процессом. Роль дрожжей при спиртовом брожении заключается в том, что они вырабатывают ферменты, осуществляющие глубокое расщепление такого сложного органического вещества, каким является сахар.

2. Алкогольное брожение не является ступенчатым процессом с последовательной сменой биохимических реакций. В естественных условиях в бродящей среде одновременно совершаются превращения огромного числа молекул сахара, а следовательно, в один и тот же момент можно наблюдать все фазы процесса - параллельное протекание всех реакций. Считают, что фосфорилирование одной молекулы гексозы идет с одновременным сбраживанием второй.

3. В спиртовом брожении обязательное участие принимает фосфорная кислота, перенос которой осуществляется аденозин-трифосфорной кислотой (АТФ). Последовательный ход превращений моносахаридов по современной схеме спиртового брожения представлен в табл. 3.

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый алкоголь является как бы завершающим этапом брожения.

На основе современной схемы спиртового брожения объясняется механизм и многих других видов брожения - молочнокислого, маслянокислого, глицеринового.

Наиболее благоприятной концентрацией сахара в бродящей среде является концентрация 10-20%. По мере брожения в среде повышается содержание спирта, который угнетающе действует на дрожжи. При спиртуозности 18% об. (а для некоторых рас дрожжей при 22% об.) брожение останавливается. Такая концентрация спирта для дрожжей является предельной. Большое значение для брожения имеет и температура среды. Лучше всего брожение протекает при 15-25 °С. При 35 °С наблюдается затормаживание брожения, а при 50 °С оно прекращается совсем, так как происходит инактивирование бродильных ферментов. Минимальная температура, при которой наблюдается еще действие зимазы, 4-5°С. Падение бродильной способности дрожжей с повышением температуры связано с возрастанием ядовитого действия спирта на зимазу.

Применяемая раса дрожжей оказывает большое влияние на результаты спиртового брожения. Одни дрожжи способны накапливать больше спирта, другие больше продуцируют альдегидов, глицерина, обусловливают накопление ароматических веществ, слагающих букет напитка (вина). К настоящему времени выведено большое количество дрожжевых рас (чистых культур), с самыми разнообразными свойствами, необходимыми для соответствующего производства.

Спиртовое брожение нормально протекает в средах с довольно высокой кислотностью (pH 3,5-4,5) и в анаэробных условиях. Если в бродящую среду продувать воздух, то дрожжи переходят к нормальному (аэробному) дыханию, начинают усиленно почковаться, что в конечном итоге приводит к резкому увеличению их живой массы. Это широко используют при получении прессованных дрожжей.

Техническое использование спиртового брожения

Спиртовое брожение широко используется в производственно-хозяйственной деятельности человека. В виноделии, применяя определенную расу дрожжей, оказывающую специфическое влияние на вкусовые и ароматические свойства напитка, и осуществляя полное выбраживание сусла либо приостанавливая брожение на определенном этапе, можно получить тот или иной тип вина. Удачный подбор дрожжевых рас при изготовлении виноградных вин дает возможность значительно улучшить их качество, придать им особый букет. В частности, хересные дрожжи Sacch. oviformis var. cheresiensis обусловливают появление в вине особого хересного букета, напоминающего аромат сигарного дыма. Шампанские дрожжи должны быть холодоустойчивыми, обладать способностью сбраживать сахарозу при повышенных давлениях углекислоты.

В пивоварении дрожжи влияют на качество напитка (пива) еще сильнее, так как состав пивного сусла более однообразен, чем у виноградных или плодово-ягодных соков. Чистые культуры дрожжей, используемые в пивоварении, хорошо осветляют пиво, придают ему приятный вкус и пр.

Не менее важное значение имеет спиртовое брожение в хлебопечении. Для разрыхления и подъема теста требуется быстрое и обильное образование углекислого газа. При выпечке объем углекислого газа увеличивается вдвое, что способствует получению пористого хлеба. В хлебопекарной промышленности используют также соответствующие дрожжевые расы.

При получении кисломолочных продуктов и при квашении овощей возникающие продукты спиртового брожения придают продуктам специфические вкусовые качества. При получении натуральных виноградных и плодово-ягодных соков, в которых содержание спирта не должно превышать 0,5% об., спиртовое брожение подавляют. Для этого пользуются различными технологическими приемами: охлаждением, пастеризацией, сульфитированием или введением в консервируемый сок сорбиновой кислоты.

В спиртовой промышленности сырьем для производства спирта могут служить картофель, зерновые культуры, а также отходы сахарного производства (черная патока), продукты гидролиза древесины и отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Из продуктов гидролиза древесины получают значительные количества спирта, названного гидролизным. Небольшие количества спирта для специальных целей получают из виноградного и ягодного сырья.

Дрожжевые клетки не содержат фермента амилазы, поэтому крахмалсодержащее сырье перед сбраживанием предварительно осахаривают с помощью ячменного солода или амилазы, получаемой из некоторых грибов (Aspergillus oryzae).

Спиртовые дрожжи относятся к группе Saccharomyces сегеvisiae, раса XII. Эти дрожжи сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, галактозу и частично раффинозу. В сбраживаемом заторе они накапливают до 13% об. спирта.