Спиртовое брожение

Биохимические этапы спиртового брожения.

При спиртовом брожении помимо основных продуктов — спир­та и СО₂, из сахаров возникает множество других, так называе­мых вторичных продуктов брожения. Из 100 г С₆Н₁₂О₆ образует­ся 48,4 г этилового спирта, 46,6 г диоксида углерода, 3,3 г глице­рина, 0,5 г янтарной кислоты и 1,2 г смеси молочной кислоты, ацетальдегида, ацетоина и других органических соединений.

Наряду с этим дрожжевые клетки в период размножения и логарифмического роста потребляют из виноградного сусла ами­нокислоты, необходимые для построения собственных белков. При этом образуются побочные продукты брожения, главным об­разом высшие спирты.

В современной схеме спиртового брожения насчитывается 10—12 фаз биохимических превращений гексоз под действием комплекса ферментов дрожжей. В упрощенном виде можно вы­делить три этапа спиртового брожения.

I этап — фосфорилирование и распад гексоз. На этом этапе протекает несколько реакций, в результате которых гексоза пре­вращается в триозофосфат:

Главную роль в передаче энергии в биохимических реакциях играют АТФ (аденозинтрифосфат) и АДФ (аденозиндифосфат). Они входят в состав ферментов, аккумулируют большое коли­чество энергии, необходимой для осуществления жизненных про­цессов, и представляют собой аденозин — составную часть ну­клеиновых кислот — с остатками фосфорной кислоты. Вначале образуется адениловая кислота (монофосфат аденозина, или аденозинмонофосфат — АМФ):

Если обозначить аденозин буквой А, то строение АТФ может быть представлено в следующем виде:

ОН ОН ОН

║ ║ ║

А—О—Р—О ~ Р — О ~ Р— ОН

║ ║ ║

О О О

Значком с ~ обозначены так называемые макроэргические фосфатные связи, чрезвычайно богатые энергией, которая выде­ляется при отщеплении остатков фосфорной кислоты. Передача энергии с АТФ на АДФ может быть представлена следующей схе­мой:

Выделяющаяся энергия используется дрожжевыми клетками для обеспечения жизненных функций, в частности их размноже­ния. Первым актом выделения энергии и является образование фосфорных эфиров гексоз — фосфорилирование их. Присоедине­ние к гексозам остатка фосфорной кислоты от АТФ происходит под действием фермента фосфогексокиназы, поставляемого дрожжами (молекулу фосфата обозначим буквой Р):

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат фруктозо-1,6-фосфат

Как видно из приведенной схемы, фосфорилирование проис­ходит дважды, причем фосфорный эфир глюкозы под действием фермента изомеразы обратимо превращается в фосфорный эфир фруктозы, имеющий симметричное фурановое кольцо. Симмет­ричное расположение остатков фосфорной кислоты по концам молекулы фруктозы облегчает ее последующий разрыв как раз в середине. Распад гексозы на две триозы катализирует фермент альдолаза; в результате распада образуется неравновесная смесь 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

Фосфоглицери-новый альдегид (3,5 %)   Фосфодиокси-ацетон (96,5 %)

В дальнейших реакциях участвует только 3-фосфоглицерино­вый альдегид, содержание которого постоянно пополняется под действием фермента изомеразы на молекулы фосфодиоксиацетона.

ІІ этап спиртового брожения — образование пировиноградной кислоты. На втором этапе триозофосфат в виде 3-фосфоглицеринового альдегида под действием окислительного фермента дегидрогеназы окисляется в фосфоглицериновую кислоту, а она при участии соответствую­щих ферментов (фосфоглицеромутазы и энолазы) и системы ЛДФ — АТФ превращается в пировиноградную кислоту:

Вначале каждая молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет к себе еще один остаток фосфорной кислоты (за счет молекулы неорганического фосфора) и образуется 1,3-дифосфоглицериновый альдегид. Затем в анаэробных условиях про­исходит его окисление в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту:

Активной группой дегидрогеназы является кофермент сложного органического строения НАД (никотинамидадениндинуклеотид), фиксирующий своим никотинамидным ядром два атома водорода:

НАД+ + 2Н+ + НАД • Н2

НАД окисленный НАД восстановленный

Окисляя субстрат, кофермент НАД становится обладателем свободных ионов водорода, что придает ему высокий восстано­вительный потенциал. Поэтому бродящее сусло всегда характеризуется высокой восстанавливающей способностью, что имеет большое практическое значение в виноделии: понижается рН среды, восстанавливаются временно окисленные вещества, погибают патогенные микроорганизмы.

В заключительной фазе II этапа спиртового брожения фермент фосфотрансфераза дважды катализирует перенос остатка фосфорной кислоты, а фосфоглицеромутаза перемещает его от 3-го угле­родного атома ко 2-му, открывая возможность ферменту энолазе образовать пировиноградную кислоту:

1,3-Дифосоглицериновая кислота 2-Фосфогглицериновая кислота Пировиноградная кислота

В связи с тем что из одной молекулы дважды фосфорилированной гексозы (израсходовано 2 АТФ) получаются две молеку­лы дважды фосфорилированных триоз (образовано 4 АТФ), чи­стым энергетическим балансом ферментативного распада саха­ров является образование 2 АТФ. Эта энергия обеспечивает жиз­ненные функции дрожжей и вызывает повышение температуры бродящей среды.

Все реакции, предшествующие образованию пировиноградной кислоты, присущи как анаэробному сбраживанию сахаров, так и дыханию простейших организмов и растений. III этап име­ет отношение только к спиртовому брожению.

III этап спиртового брожения — образование этилового спирта. На заключитель­ном этапе спиртового брожения пировиноградная кислота под действием фермента декарбоксилазы декарбоксилируется с об­разованием ацетальдегида и диоксида углерода, а с участием фермента алкогольдегидрогеназы и кофермента НАД-Н2 проис­ходит восстановление ацетальдегида в этиловый спирт:

Пировиноградная кислота                                 Ацетилальдегид                                 Этиловый спирт

Если в бродящем сусле есть избыток свободной сернистой кислоты, то часть ацетальдегида связывается в альдегидсернистое соединение: в каждом литре сусла 100 мг Н2SO3 связывают 66 мг СН3СОН.

Впоследствии при наличии кислорода это нестойкое соедине­ние распадается, и в виноматериале обнаруживают свободный ацетальдегид, что особенно нежелательно для шампанских и сто­ловых виноматериалов.

В сжатом виде анаэробное превращение гексозы в этиловый спирт может быть представлено следующей схемой:

 Схема спиртового брожения.

Как видно из схемы спиртового брожения, сперва образуются фосфорные эфиры гексоз. При этом молекулы глюкозы и фруктозы под действием фермента гексокеназы присоединяют остаток фосфорной кислоты от аденозиттрифосфата (АТФ), при этом образуется глюкоза-6-фосфат и аденозитдифосфат (АДФ).

Глюкоза-6-фосфат под действием фермента изомеразы превращается в фруктозу-6-фосфат, присоединяющий еще один остаток фосфорной кислоты из АТФ и образующий фруктозу-1,6-дифосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой. Образованием этого химического соединения заканчивается первая подготовительная стадия анаэробного распада сахаров.

В результате этих реакций молекула сахара переходит в оксиформу, приобретает большую лабильность и становится более способной к ферментативным преобразованиям.

Под влиянием фермента альдолазы фруктоза-1, 6-дифосфат расщепляется на глицеринальдегидофосфорную и диоксиацетонофосфорную кислоты, способные превращаться одна в одну под действием фермента триозофосфатизомеразы. Дальнейшему преобразованию подвергается фосфоглицериновый альдегид, которого образуется приблизительно 3 % по сравнению с 97 % фосфодиоксиацетона. Фосфодиоксиацетон, по мере использования фосфоглицеринового альдегида, превращается под действием изомеразы фосфотриоз в 3-фосфоглицериновый альдегид.

На второй стадии 3-фосфоглицериновый альдегид присоединяет еще один остаток фосфорной кислоты (за счет неорганического фосфора) с образованием 1, 3-дифосфоглицеринового альдегида, который дегидруется под действием триозофосфатдегидрогеназы и дает 1, 3-дифосфоглицериновую кислоту. Водород, в этом случае, переносится на окисленную форму кофермента НАД. 1, 3-дифосфоглицериновая кислота, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткеназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в 3-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя, под действием фосфопируватгидротазы, превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту. Дальше, при участии фермента пируваткеназы, фосфоэнолпировиноградная кислота передает остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула энолпировиноградной кислоты переходит в пировиноградную кислоту.

Третья стадия спиртового брожения характеризуется расщеплением пировиноградной кислоты под действием фермента пируватдекарбоксилазы на диоксид углерода и уксусный альдегид, который под действием фермента алкогольдегидрогеназы (коферментом ее является НАД) восстанавливается в этиловый спирт.

Суммарное уравнение спиртового брожения может быть представлено так:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О

Таким образом, при брожении происходит преобразование одной молекулы глюкозы в две молекулы этанола и две молекулы диоксида углерода.

Но указанный ход брожения не единственный. Если, например, в субстрате нет фермента пируватдекарбоксилазы, то не происходит расщепление пировиноградной кислоты до уксусного альдегида и восстановлению подвергается непосредственно пировиноградная кислота, превращаясь в молочную кислоту в присутствии лактатдегидрогеназы.

В виноделии брожение глюкозы и фруктозы происходит в присутствии бисульфита натрия. Уксусный альдегид, образующийся при декарбоксилировании пировиноградной кислоты, удаляется в результате связывания бисульфитом. Место уксусного альдегида занимают диоксиацетонфосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид, они получают водород от восстановленных химических соединений, образуя глицерофосфат, который превращается в результате дефосфорилирования в глицерин. Это вторая форма брожения по Нейбергу. По этой схеме спиртового брожения происходит накопление глицерина и уксусного альдегида в виде бисульфитной производной.

Вещества, образующиеся при брожении.

В настоящее время в продуктах брожения найдено около 50 высших спиртов, которые обладают разнообразными запаха­ми и существенно влияют на аромат и букет вина. В наиболь­ших количествах при брожении образуются изоамиловый, изобутиловый и N-пропиловый спирты. В мускатных игристых и столовых полусладких винах, получаемых путем так называемого биологического азотопонижения, в большом количестве (до 100 мг/дм3) найдены ароматические высшие спирты β-фенилэтанол (ФЭС), тирозол, терпеновый спирт фарнезол, обладающие ароматом розы, ландыша, цветов липы. Их присутствие в неболь­шом количестве желательно. Кроме того, при выдержке вина высшие спирты вступают в этерификацию с летучими кислотами и образуют сложные эфиры, придающие вину благоприятные эфирные тона зрелости букета.

Источником высших спиртов являются, прежде всего, амино­кислоты, потребляемые дрожжами при размножении на стадии логарифмического роста.

Согласно теории Ф. Эрлиха высшие спирты образуются дву­мя путями:

І — через декарбоксилирование

ІІ — через первоначальное гидролитическое дезаминирование

В дальнейшем было доказано, что основная масса алифатических высших спиртов образуется из пировиноградной кислоты путем переаминирования и непосредственного биосинтеза с участием аминокислот и ацетальдегида. Но наиболее ценные ароматические высшие спирты образуются только из соответствующих аминокислот ароматического ряда, например:

Образование высших спиртов в вине зависит от многих факторов. В нормальных условиях их накапливается в среднем 250 мг/дм3. При медленном длительном брожении количество высших спиртов возрастает, при повышении температуры брожения до 30 °С — уменьшается. В условиях поточного непрерывно брожения размножение дрожжей очень ограничено и высших спиртов образуется меньше, чем при периодическом способе брожения.

При уменьшении количества дрожжевых клеток в результате охлаждения, отстаивания и грубой фильтрации забродившего сусла происходит медленное накопление биомассы дрожжей и одновременно растет количество высших спиртов, прежде всего ароматического ряда.

Повышенное количество высших спиртов нежелательно для столовых белых сухих, шампанских и коньячных виноматериалов, однако придает многообразие оттенков в аромате и вкусе красным столовым, игристым и крепким винам.

Спиртовое брожение виноградного сусла связано также с образованием высокомолекулярных альдегидов и кетонов, летучих и жирных кислот и их эфиров, имеющих значение в формировании букета и вкуса вина.