Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

ГЛАВА 11

ПРОЦЕССЫ БРОЖЕНИЯ

Процессы брожения относятся к окислительно-восстановительным процессам, которые протекают в живых организмах с целью получения химической энергии из глюкозы и других биогенных молекул без участия кислорода. Процессы брожения катализируют ферменты, которые входят в состав сложных ферментативных комплексов. Ферменты этих метаболонов катализируют реакции анаэробного расщепления глюкозы до молочной кислоты и других органических соединений.

Продуктами анаэробных ферментативных реакций могут быть АТФ и другие фосфорилированные биогенные молекулы. АТФ обеспечивает энергией реакции синтеза, а также определяет направленность катаболических процессов в клетке. Фосфорилированные биогенные молекулы могут быть использованы в реакциях синтеза структурных и пластических элементов клетки, в частности, они принимают участие в формировании мембран, а также в синтезе нуклеиновых кислот, белков, липидов.

Вцелом процессы брожения можно отнести к эндогенным окисли- тельно-восстановительным процессам, суммарная степень окисления которых не отличается от степени окисления сбраживаемых веществ.

Наиболее значимы эти процессы для функционирования микроорганизмов, обитающих в условиях пониженного содержания кислорода или полного его отсутствия. Кроме того, процессы брожения приобретают значение, если организм находится в условиях анабиоза. При этом главным источником энергии при использовании анаэробного пути окисления являются гексозы.

Бактерии способны извлекать необходимую им энергию путем сбраживания пентоз, жирных кислот и аминокислот.

Внастоящее время хорошо изучены биохимические процессы и ферменты спиртового, молочнокислого и пропионовокислого брожения. Показано, что биохимические процессы брожения могут быть использованы при переработке сельскохозяйственной продукции.

183

Глава 11. Процессы брожения

11.1. СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ

Спиртовое брожение является процессом, в котором при участии ферментов глюкоза метаболизируется до этилового спирта и СО2. Основными продуцентами этанола являются дрожжи рода Saccharomyces. При этом на первом этапе глюкоза расщепляется ферментами гликолиза до двух молекул пировиноградной кислоты, которая затем подвергается декарбоксилированию при участии пируватдекарбоксилазы (ПДКа) до ацетальдегида. Фермент активен в присутствии тиаминпирофосфата. Затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой (АДГ) в этанол; в реакции участвует НАДН2.

Глюкоза

Гликолиз

CH3–CO–COOH ПДК ТПФ

CO2

CH3–CHO

АДГ НАДН2 НАД

CH3–CH2–OH

Кроме дрожжей, некоторые виды Enterobacteriaceae и клостридии способны сбраживать углеводы с образованием в качестве промежуточного метаболита обменных процессов этанола. Причем этанол образуется путем восстановления ацетила-КоА ферментативной системой в составе двух ферментов альдегиддегидрогеназы и алкогольдегидрогеназы.

CH3–CO–S-KoA

АльДГ НАДН2 HS-KoA НАД

CH3–CHO

АДГ НАДН2

НАД

CH3–CH2–OH

Гетероферментативные молочнокислые бактерии (Leuconostoc mesenteroides) способны расщеплять глюкозу, используя ферменты пентозофосфатного пути окисления глюкозы. Продуктами этих ферментов служат

184

11.1. Спиртовое брожение

пентозофосфаты, в частности ксилулозо-5-фосфат, который под действием фосфокетолазы расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат и ацетилфосфат. Последний восстанавливается ацетальдегиддегидрогеназой и алкогольдегидрогеназой в этанол. При этом глицеральдегид-3-фосфат последовательно превращается при участии ферментов гликолиза в лактат (рис. 11.1).

O

H3C C OH

Рис. 11.1. Метаболизм глюкозы ферментами пентозофосфатного пути у бактерий (1 — гексокиназа, 2 — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, 3 — лактоназа, 4 — 6-фосфоглюканатдегидрогеназа, 5 — эпимераза, 6 — фосфокетолаза, 7 — ацетаткиназа, 8 — лактатдегидрогеназа, 9 — пируватдекарбоксилаза, 10 — алкогольдегидрогеназа)

185

Глава 11. Процессы брожения

11.2. МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

При молочнокислом брожении конечным продуктом метаболизма углеводов, многоатомных спиртов и белков является молочная кислота. Бактерии нуждаются в витаминах (В1, В3, В5, Вс и Н). Основной дисахарид углеводов лактоза расщепляется вначале β-галактозидазой (лактаза) на глюкозу и галактозу (рис. 11.2). Последняя под действием специализированных ферментов (галактокиназа, галактозо-1-фосфатуридилилтранс- фераза, УДФ-глюкозо-4-эпимераза и УДФ-глюкозопирофосфорилаза), использующих АТФ и УТФ, превращается в глюкозо-6-фосфат, который

56 УТФ

Рис. 11.2. Процесс расщепления лактозы (1 — лактаза, 2 — галактокиназа, 3 — гексокиназа, 4 — галактозо-1-фосфатуридилилтрансфераза, 5 — УДФ-глюкозо- 4-эпимераза, 6 — УДФ-глюкозопирофосфорилаза, 7 — фосфоглюкомутаза)

186

11.2. Молочнокислое брожение

расщепляется ферментами гликолиза или пентозофосфатного пути превращения углеводов до двух молекул молочной кислоты.

Бактерии молочнокислого брожения могут быть подразделены на две группы: гомоферментативные и гетероферментативные.

Кгруппе гомоферментативных относятся бактерии, продуктом окисления у которых является только молочная кислота. При этом она составляет около 90% всех продуктов брожения. Тогда как небольшая часть

пирувата может превращаться в уксусную кислоту, этанол и СО2. Бактерии, относящиеся к гомоферментативному типу молочнокислого

брожения, способны расщеплять глюкозу с помощью ферментов пентозофосфатного пути окисления углеводов (см. рис. 11.1). Ключевым метаболитом этого процесса является ксилулозо-5-фосфат, который расщепляется пентозофосфокетолазой до 3-фосфоглицеринового альдегида и ацетилфосфата. В реакции участвует тиаминпирофосфат.

В группу гомоферментативных входят только кокковые и палочковидные бактерии. В составе кокковых — род Streptococcus, к которому отнесены виды Str. lactis, Str. cremoris, Str. diacetilactis, Str. thermophilus.

Str. lactis (молочнокислый стрептококк). Отдельные клетки имеют овальную форму, объединяются в цепочки. Относятся к грамположительным бактериям, неподвижны. Пищевыми субстратами Str. lactis могут быть моносахариды, а также дисахариды — лактоза и мальтоза. Температурой оптимального развития молочнокислого стрептококка является 30…35 °С.

Str. cremoris (сливочный стрептококк). Отдельные клетки этого вида бактерий имеют овальную форму и могут объединяться в длинные цепочки. В процессе жизнедеятельности образуют летучие кислоты (уксусная, пропионовая, масляная и др.).

Str. diacetilactis. В процессе жизнедеятельности образует летучие кислоты и ароматические вещества, способен окислять лимонную кислоту.

Str. thermophilus. Способен развиваться при высокой температуре (40… 50 °С).

Некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии способны превращать ацетилфосфат частично или полностью в уксусную кислоту. Реакция катализируется ацетилфосфокиназой. Тогда как 3-фос- фоглицеральдегид ферментами гликолиза превращается в лактат.

Кгруппе гетероферментативных бактерий молочнокислого брожения относятся представители родов Lеuconostoc, Lactobacterium, Bifidobacterium.

Бактерии рода Lеuconostoc. Они относятся к факультативным анаэробам, неподвижные, грамположительные. Клетки имеют сферическую форму, располагаются одиночно, попарно или связаны между собой

вкороткие цепочки. Температура оптимального развития этих бактерий 20…30 °С. К этому роду относятся виды L. mesenteroides, L. dextranicum,

187