Брожение - это что такое в химии?

Брожение является одним из важнейших процессов, происходящих в окружающей среде, суть которого сводится к получению энергии грибками и бактериями для своей жизнедеятельности. Но, как и многие другие явления, человек научился использовать его для удовлетворения своих потребностей. Брожение - это не только получение спиртосодержащей продукции. В результате брожения человечество получает множество видов пищевой продукции. Сегодня существуют также технологии, позволяющие получать пищевой пластик, одним из этапов которых является этот процесс.

Понятие брожения

Химия и биология немного по-разному определяют этот процесс. С точки зрения химии, брожение - это реакции получения этанола и других продуктов под действием ряда микроорганизмов, например, дрожжей. Биология же уточняет, что это анаэробное расщепление углеводов (в том числе глюкозы), происходящее под влиянием микроорганизмов (или полученных из них ферментов). Представляет оно собой многостадийный процесс, включающий окислительно-восстановительные реакции, причем из одного и того же субстрата получаются и доноры, и акцепторы электронов.

Сбраживанию способны подвергаться многие вещества, однако чаще используют именно углеводы. При этом образуются не только основные вещества, но и такие продукты, как ацетон, углекислый газ, водород и др.

Биологическая роль брожения

Значение этого явления для живых организмов велико. В результате совокупности химических реакций при брожении образуются:

• молекулы АТФ с запасом энергии, необходимой для поддержания жизни микроорганизмов;
• химические вещества, необходимые для синтеза своих же белков, сахаров, различных нуклеиновых кислот и т.д.

Считается, что основные три вида брожения были открыты и описаны Л. Пастером в 19 веке. Однако продукты их используются человечеством с незапамятных времен.

Виды брожения

Чаще всего в промышленных масштабах используются спиртовой, молочнокислый и маслянокислый виды. Биохимией рассматриваются также пропионовокислое, лимоннокислое, ацетоно-бутиловое и другие разновидности. Понять, какое брожение будет идти в том или ином случае, можно по виду используемых микроорганизмов.

Так, спиртовое брожение возбуждают пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), бактерии рода эрвиний (Erwinia amylovora) и сарцин (Sarcina ventriculi). Маслянокислое осуществляется облигатно-анаэробными бактериями рода Clostridium. Возбудителями брожения по молочнокислому направлению являются бактерии Streptococcus cremoris, кокки (род Lactococcus) и палочки (род Lactobacillus).

Спиртовое брожение

Данный процесс включает 12 стадий и имеет довольно сложный механизм. При брожении глюкозы образуется 2-оксопропановая кислота, чаще называемая пировиноградной. Эту стадию проходит глюкоза при любом типе сбраживания. Далее она подвергается действию ферментов и превращается в ацетальдегид, который восстанавливается до этанола.

Сокращенное уравнение спиртового брожения имеет вид:

С₆Η₁₂О₆ ―> 2С₂Η₅ОΗ + 2СО₂

С учетом выделившейся энергии его же можно записать следующим образом:

C₆Η₁₂O₆ + 2Η₃PO₄ + 2АДФ ―> 2C₂Η₅OΗ + 2CO₂ + 2АТФ

Таким образом, из одной молекулы глюкозы запасается две молекулы АТф.

Молочнокислое брожение

В зависимости от группы микроорганизмов, участвующих в этом процессе, брожение может пойти по двум путям. Гомоферментативные молочно-кислые бактерии преимущественно приводят к образованию молочной кислоты, ее содержание в продуктах составляет до 90 %. Это наиболее примитивный путь брожения, которому подвергаются моно- и дисахариды (глюкоза, лактоза). Для него справедливо уравнение реакции:

2С₆Η₁₂О₆ ―> 2СΗ₃СΗ(ОΗ)СООΗ + Q

Гетероферментативные молочно-кислые бактерии помимо молочной кислоты дают в качестве побочных продуктов этанол, уксусную кислоту, углекислый газ и другие вещества. Можно записать следующую уравнение брожения:

2С₆Η₁₂О₆ ―> 2СΗ₃СΗ(ОΗ)СООΗ + СООΗ(СΗ₂)₂СООΗ + С₂Η₅ОΗ + СΗ₃СООΗ + Q

Маслянокислое брожение

Данный тип брожения знаком многим хозяйкам, поскольку именно он приводит к порче пищевых продуктов. Маслянокислые бактерии вызывают прогоркание сливочного масла, закисание квашеной капусты и маринованных грибов при недостаточной их стерилизации. Побочными продуктами при этом брожении являются углекислый газ и водород. Также возможно скопление ацетона, этанола, бутанола и уксусной кислоты.

Маслянокислому брожению способны подвергаться полисахариды, поэтому для парфюмерной промышленности ее получают из картофеля, зерна и мелассы (отхода при производстве сахара). Сама кислота имеет отталкивающий запах, а вот ее эфиры приятно пахнут цветами и фруктами. Для маслянокислого брожения можно записать следующее уравнение реакции:

2С₆Η₁₂О₆ ―> СΗ₃СΗ₂СН₂СООΗ + 2СО₂ + 2Н₂ + Q

Лимоннокислое брожение

Как и другие виды брожения, это идет через стадию образования пировиноградной кислоты, которая затем включается в цикл Кребса. Превращение глюкозы в лимонную кислоту проходит много стадий, но суммарно его можно выразить уравнением:

2С₆Η₁₂О₆ + 3О₂―> 2С₆Н₈О₇ + 4Н₂О

Промышленное получение лимонной кислоты основано на биохимических реакциях с применением гриба Aspergillus niger в кислой среде. Если же среда будет нейтральной, то в качестве побочного продукта будет накапливаться еще и щавелевая кислота.

Брожения в пищевой промышленности

Процессы ферментации широко используют для получения спиртосодержащих жидкостей не только в промышленных масштабах. В зависимости от сырья и технологии получают напитки с различным содержанием в них этанола. Поскольку спиртовое брожение глюкозы сопровождается выделением СО₂, то существует ряд продуктов, для которых характерно его выделение в процессе употребление. К ним можно отнести пиво и игристые вина (шампанское). Технологией производства других предусматривается своевременное отведение образующегося при брожении газа, чтобы предотвратить его накопление.

Для получения кисломолочных продуктов применяют соответствующие бактерии. Благодаря этому типу брожения человечество узнало такие продукты, как сметана, кефир, йогурт, простокваша, сыр, творог. Также этот процесс важен в приготовлении кваса. Благодаря молочнокислым бактериям, которые подавляют рост патогенной микрофлоры, является возможным приготовление квашеных овощей (капусты, огурцов, томатов). Кроме того, они способствуют снижению рН и сохранению мясных продуктов, поэтому молочнокислые бактерии применяют при изготовлении сыровяленых сортов колбасы, например, салями.

Очень важен процесс спиртового брожения для хлебопекарной и кондитерской промышленности. Углекислый газ, выделяющийся при взаимодействии сахара с дрожжами, при расстаивании и выпекании хлебобулочных изделий расширяется. Это приводит к образованию больших пор в тесте, за счет чего оно и становится пышным.

Применение ферментации

Молочнокислые бактерии используют в кожевенном производстве. Для выделки некоторых видов меховых шкурок (каракуль, крот, белка) используют их квашение с ржаной мукой или кефиром. Это приводит к размягчению и отслаиванию волокон дермы.

Благодаря молочнокислым бактериям и продуктам их жизнедеятельности получают биоразлагаемый пластик полилактид. Из него, в свою очередь, изготавливают упаковку для пищевых продуктов и медицинские изделия с коротким сроком службы (нити и штифты).

Также они играют важную роль в запасании кормов для скота в виде силоса. Для этого ботву от картофеля, свеклы, кукурузы, люцерны спрессовывают с добавлением муравьиной кислоты. Без доступа воздуха в таком субстрате начинается контролируемый процесс молочнокислого брожения.

В современном мире борьба за чистоту окружающей среды является одной из важнейших задач общества. Процессы сбраживания способны помочь утилизировать отходы животноводства и при этом получить ценный биогаз, который можно использовать для отопления тех же ферм. Для этого используются различные штаммы бактерий на разных этапах его производства. Сначала кислотообразующие бактерии перерабатывают органические вещества в летучие кислоты. А затем метанообразующие бактерии из органических кислот вырабатывают метан. В качестве побочных продуктов в биогазе содержатся сероводород и окись углерода.