Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Биохимия дрожжевого брожения. Энергетика обмена веществ. Вторичные продукты брожения

Основную роль в обмене веществ дрожжевой клетки играют анаэробный и аэробный распад углеводов. Химизм этих процессов детально рассмотрен в главе 7. Важно установить соотношение вкладов этих процессов в дрожжах в зависимости от их вида и условий функционирования. У одних видов доминирует бродильный метаболизм, у других же, обогащенных дыхательными ферментами, существенно возрастает вклад аэробного механизма.

При сравнении бродильных свойств рас винных (5. vini) спиртовых (S. cerevisiae) и пивоваренных (S. carlsbergensis) дрожжей установлено, что винные дрожжи наряду с большей спиртоустойчивостыо и способностью сбраживать более высокие концентрации сахаров, нуждаются в относительно большем доступе воздуха. Причем, в ряду видов дрожжей, используемых в виноделии, дрожжи S. vini обладают наиболее высокой степенью анаэробиоза.

Возвращаясь к механизму процесса брожения глюкозы, следует выделить три его формы, предложенные К. Нейбергом. Первая форма представляет собой рассмотренное выше (п. 7.2.7) спиртовое брожение, суммарное уравнение которого представляется в следующем виде:

С6Н12°6 + Дф -2С2Н5ОН + С02 + 2АТФ + 166кДж/моль

Вторая форма брожения по Нейбергу отражает процесс получения глицерина, если в сбраживаемую среду вводить нагрийгидросуль- фиг, который связывает альдегид (CH3CH(0H)S03Na) и тем самым предотвращает его восстановление в спирт. В этих условиях действие НАДН2. образующегося на предшествующей стадии окисления глицеринового альдегида в кислоту, направлено на другую молекулу того же альдегида, в результате чего образуется глицерин:

При брожении сульфитированного виноградного сусла в винома- териалах также происходит накопление глицерина и уксусного альдегида в виде натрийгидросульфитного аддукта.

Третья форма брожения Нейберга связана с осуществлением процесса в щелочной среде. В этих условиях наряду с образованием глицерина происходит окисление ацетальдегида НАД-зависимой дегидрогеназой, в уксусную кислоту, а образовавшийся при этом НАД-ЬЬ восстанавливает эквивалентное количество ацетальдегида в этиловый спирт:

Такой химизм процесса благоприятен для клеток, поскольку образующаяся уксусная кислота понижает р среды и способствует возобновлению нормального спиртового брожения.

Иногда в клетках дрожжей возникает необходимость в использовании запасного полисахарида - гликогена.

В присутствии кислорода воздуха дрожжи получают энергию за счет аэробного дыхания:

Однако энергии, освобождаемой в результате полного катаболизма глюкозы с учетом окислительных процессов ЦТК (цикла Кребса) и дыхательной цепи оказывается недостаточным для функционирования дрожжей. В качестве источников энергии используются и другие питательные вещества (жиры, белки), способные продуцировать пиро- виноградную кислоту, которая, в свою очередь, грансформируется в ацетил-КоА.

Катаболизм питательных веществ является не только источником энергии, но и поставщиком материала для ресинтеза функциональных биомолекул и конструирования структур клетки.

В процессе брожения сахара наряду с этанолом образуется ряд других соединений, которые называются вторичными продуктами. По данным одной из работ при сбраживании 180 г сахара образовалось 87,4 г этанола, 83,6 г углекислоты, 6г глицерина, 0,8 г янтарной кислоты, 0,5 г 2,3-бутандиола, 0,4 г сивушных спиртов, 0,3 г молочной кислоты и 0,1 г уксусного альдегида.

Отмечается образование и других продуктов, таких, как уксусная кислота, пировиноградная кислота, ацетон, диацетил, высшие спирты, сложные эфиры, лимонная кислота и др. Эти компоненты грают важную роль в формировании вкусовых качеств вина.

Образование глицерина можно объяснить по второй формуле К. Нейберга, согласно которой молекула глюкозы распадается на глицерин и пировиноградную кислоту. Уксусный альдегид является продуктом декарбоксилирования пировиноградной кислоты.

В результате ацегоиновой конденсации двух молекул уксусного альдегида образуется ацетонн:

Ацетоин в биологических средах выступает в качестве промежуточного звена окислительно-восстановительной системы:

Полагают, что ацетоин и диацетил могут образовываться из а-ацетомолочной кислоты, которая, в свою очередь, образуется на основе пировиноградной кислоты.

Существуют и другие версии биосинтеза а -ацетоуксусной кислоты, в частности, конденсации пировиноградной кислоты с оксиэтил- тиаминпирофосфатом. Источником последнего также является пиро- виноградная кислота.

В других работах указывается, что дрожжи могут осуществлять биосинтез диацетила и ацетоина, не связанный с образованием ацетомолочной кислоты.

Подобно взаимопревращениям в цепочке 2,3-бутандиола и продуктов его последовательного окисления в винах существует окислительно- восстановительная система соединений с 5-углеродными молекулами:

Отмечается общая закономерность, из которой следует, что в аэробных условиях в вине повышается содержание окисленных форм - оксососдинений. Показано, однако, что чем больше в винах содержание 2,3-бутандиона (диацегила) и 2,3-пенгандиона, гем хуже их дегустационная оценка.

В винах, подвергшихся яблочно-молочному брожению, количество 2,3-бутандиона значительно увеличивается и достигает 2,8-4,3 мг/л.

Примечательно, что содержание диацетила в белых (0,8-0,9 мг/л) и красных (1,8 мг/л) винах придает напитку окисленный тон, а при концентрации выше 2 мг/л - мышиный привкус.

Выдержка вин в анаэробных условиях предотвращает и окисление этанола в уксусную кислоту.

Весьма нежелательным процессом при формировании вина является образование высших (сивушных) спиртов (300-350 мг/л). Установлено, что чем интенсивнее рост и размножение дрожжей, тем больше образуется высших спиртов. Оптимальной температурой для их образования является 20-25°С. Примечательно, однако, что влияние температуры на выход сивушных спиртов зависит от вида и расы дрожжей.

На количество образовавшихся высших спиртов влияет концентрация сахара, состав и р среды, а также интенсивности аэрации. Так, дрожжи Sacch. vini в анаэробных условиях образуют больше изобути- лового и изопентанового спиртов, чем в аэробных. В то время как Sacch. oviformis в аэробных условиях синтезируют больше изопентило- вого спирта и пентанола, чем при анаэробизс.

Брожение под давлением СО2 позволяет получать вина высокого качества с низким редокспотенциалом, малым содержанием кислот и высших спиртов с сохранением фруктовых тонов в аромате.

Существует два источника образования сивушных спиртов: сахара и аминокислоты. В основном эти спирты возникают из сахаров. Отмечено, что с увеличением концентрации аминокислот общее содержание сивушных спиртов уменьшается за счет уменьшения концентрации пентиловых спиртов, в то время как содержание изобутилового спирта существенно возрастает.

Из производных глюкозы важную роль в накоплении высших спиртов играет иировиноградная кислота. Конденсируясь с уксусным альдегидом или ацетил-КоА она превращается, как показано выше, в ацетилмолочную кислоту. Последняя продуцирует а -

кегоизовалериановую кислоту, которая восстанавливается в изобутило- вый спирт.

а -Кетоизовалериановая кислота может наращивать углеродную цепь за счет взаимодействия с ацетил-КоА. Образующаяся при этом а -кетоизокаирононовая кислота декарбоксилируется и далее восстанавливается в изопентиловый (изоамиловый) спирт (сн^-сн-сн2-сн2-он). Изо-

сн3

бутиловый и изоамиловый спирты составляют 90% всех спиртов вина и отрицательно влияют на его вкус.

Аналогичные превращения происходят с неразветвленными кислотами: кетомасляной и кетовалериановой, - в результате чего образуются «-бутиловый и н-пентиловый спирты.

Существует несколько путей получения спиртов из аминокислот. Первая из них связана с декарбоксилированием и образованием амина, аминогруппа которого замещается на гидроксил в процессе дезаминирования. Второй путь предполагает окислительное дезаминирование аминокислоты. Образующаяся при этом кстокислота декарбоксилиру- ется в альдегид и далее восстанавливается в спирт. Третья схема связана с классическим персаминированисм, в ходе которого аминокислота превращается в кетокислоту, судьба которой нам уже известна.

Приятным ароматом обладают некоторые синтезируемые на основе аминокислот спирты алкилароматичсского строения, такие, как /?-фенилэтиловый, гирозол. тринтофол. Регулируя содержание аминокислоты фенилаланина, можно получить вино с различной концентрацией р -фенилэтилового спирта.

Введение в бродящее сусло избытка аминокислот: а -аланина, а - аминомасляной кислоты, лейцина или валина - способствует накоплению не только спиртов, соответствующего аминокислотам: строения, но и ряда других высших спиртов.

Введение аммонийных солей в среду, обедненную по содержанию азота, снижает образование высших спиртов в 1,4-1,7 раза.

При брожении в заметных количествах образуются сложные эфиры, которые считаются важнейшей ароматической составляющей вин (см. 12.1.5).

Среди эфиров превалирует, как уже отмечалось, этилацетат, имеющий фруктовый запах. Эфиры высших спиртов обладают фруктово-цветочным запахом. Сравнительно в больших количествах при брожении образуются моно- и диэтиловыс эфиры винной, яблочной и янтарной кислот. Яблочно-молочное брожение сопряжено с накоплением в вине этиллактата.

В шампанских винах особое значение придается содержанию вы- сококипящих эфиров - этилкапроната, изоамилкапроната и др.

Из липидов в результате переэтерификации образуются этиловые эфиры линолевой, линоленовой и других кислот.

В продуктах брожения винограда обнаруживаются ацетали, именуемые в ряде случаев в литературе простыми эфирами.

Ацетали могут образовываться при взаимодействии альдегидов с полифенолами и другими гидроксилсодержащими соединениями.

В значительных количествах ацетали образуются в коньяках и в хересе, содержащем много альдегидов. В частности, в хересе помимо этилацеталя были найдены этилизоамилацеталь, диамилацеталь, изоамилфенилацеталь и др.

Дрожжи могут выделять в среду в процессе брожения сульфгид- рильные соединения, то есть соединения содержащие группу SH. Наиболее активным продуцентом HS-соединений являются шампанские дрожжи; меньше их выделяют дрожжи пивоварения.

К таким соединениям следует отнести прежде всего глютатион и цистеин, снижающих редокспотенциал системы. Группа SH, как и H2S , обладает восстановительными свойствами, поэтому HS- содержащие соединения, именуемые редуктонами, выполняют в вине роль антиоксидантов, препятствующих окислительной деструкции полезных компонентов и, в первую очередь, окислению некоторых ароматических составляющих. В виноматсриалах, полученных путем сбраживания виноградного сусла под давлением СО2, запас сульфгид- рильных соединений значительно выше.

Отметим, что к числу антиоксидантов относятся фенольные соединения. Однако фенольные кислоты и альдегиды ингибируют рост и размножение дрожжей. Антоцианы в количестве 300 мг/л и выше замедляют жизнедеятельность винных и даже пленчатых дрожжей. Фенольные соединения сусла и вина вступают в реакцию с белками и в виде танатов выпадают в осадок. Продукты окисления фенольных соединений - хиноны - взаимодействуют с аминокислотами.

В результате окислительного дезаминирования образуются кето- кислоты, декарбоксилирование которых дает альдегиды, существенно влияющие на вкус вина.

Созревание вин (прежде всего, шампанского), обогащение их биологически активными соединениями и формирование букета напитков связаны с продуктами автолиза дрожжей, то есть разложения компонентов клетки под действием своих же гидролитических ферментов.

На основе сведений об автолитических процессах в клетках дрожжей разработаны методы применения искусственно созданных концентратов для повышения качества вин.

Условия производства вин зачастую далеки ог стерильных. Даже после дезинфекции сборников и трубопроводов 0,5%-ным раствором катапина (четвертичного аммониевого соединения) часть дрожжей может остаться живой.

Дрожжи являются основной причиной биологического помутнения столовых вин, разлитых в бутылки.

Красные, реже белые вина поражаются спорообразующей палочкой Bact. amaracrilus - возбудителем горечи. Прогорканис связано с превращениями глицерина. Как уже отмечалось, он может превращаться бактериями в акролеин (н2с=сн-с$°), который к тому же способен вступать в химическое взаимодействие с полифенолами. Вино при этом мутнеет, появляется горечь и запах летучих кислот.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>