Химия спиртового брожения

12.04.2017
Суммарно процесс спиртового брожения определяется уравнением Гей-Люссака
С6Н12О6 = 2С5Н5ОН + 2СО2.

Это уравнение показывает, что из 180 г глюкозы может быть получено 92 г этилового спирта и 88 г углекислого газа. Однако наряду с этими продуктами всегда, правда, в значительно меньших количествах, получается ряд других — глицерин, янтарная кислота, высшие спирты, альдегиды и пр.
Пастер показал, что из 100 г сахарозы образуется 105,4 г инвертного сахара, из которого после сбраживания дрожжами получается 51,1 г этилового спирта, 45,4 г углекислого газа, 3,2 г глицерина, 0,7 г янтарной кислоты и 2 части прочих продуктов. Таким образом, из 180 г глюкозы должно образоваться на 92 г этилового спирта, а меньше — около 87,2 г. Вместе с тем Пастер установил, что накапливаются глицерин и другие продукты, а также происходят затраты сахара на образование вещества дрожжей.
Процесс брожения экзотермический и при распаде одной грамм-молекулы моносахарида освобождается приблизительно 84 кДж (20 ккал) за счет химического процесса и около 17 кДж (4 икал) за счет теплового эффекта растворения спирта в воде. Это значительно меньше, чем в случае полного окисления того же сахара за счет кислорода воздуха в процессе дыхания.
Сначала брожение рассматривалось как исключительно химический процесс и только со времени Пастера (со второй половины прошлого столетия) его стали связывать с жизнедеятельностью живых организмов; Пастер установил, что микроорганизмы в анаэробных условиях потребляют больше углеводов, чем в аэробных. Он сделал вывод о наличии двух путей получения клетками микроорганизмов энергии за счет распада углеводов: при аэробных условиях путем окисления и при анаэробных — путем брожения, причем в первом случае расщепление углеводов идет в гораздо меньших размерах, чем во втором. Отсюда видно, что Пастер считал брожение физиологическим процессом, тесно связанным с жизнедеятельностью микроорганизмов (в данном случае — дрожжей). Только после выделения из дрожжевых клеток зимазы и осуществления бесклеточного брожения М.М. Маиессенной, Г. Бухнером, Э. Бухнером и А.Н. Лебедевым стало возможным подойти к правильному изучению процессов брожения и связать его химизм с действием ферментов.
С.П. Костылев доказал, что в начале спиртового брожения образуется пировиноградная кислота, которая является источником образования уксусного альдегида и углекислого газа. При образовании пировиноградной кислоты из сахара выделяется свободный водород, при наличии которого образовавшийся уксусный альдегид восстанавливается в этиловый спирт:

Л.А. Иванов является автором идеи образования при спиртовом брожении фосфорорганических соединений. При добавлении к бродящей жидкости фосфатов происходит ускорение сбраживания сахара и вместе с тем уменьшается количество неорганического фосфата.
Гарден изучал начальный стадии распада сахара. При этом он установил, что происходит соединение глюкозы с фосфорной кислотой и образование гексозофосфорных эфиров, которые в дальнейшем подвергается расщеплению.
А.Н. Лебедев, а затем Мейергоф установили, что глюкоза расщепляется на глицериновый альдегид и диоксиацетон, а затем уже каждое ид этих соединений распадается на пировиноградную кислоту и водород. Эти авторы одновременно подтвердили исключительную роль фосфорной кислоты в первых стадиях брожения. Важная роль фосфорных эфиров сахара в последующих стадиях их превращения была установлена при изучении распада углеводов в мышцах животных Эмбденом.
Фосфорная кислота находится в дрожжах и других живых организмах. Вопреки существовавшему длительный период времени представлению о независимости процессов брожения и дыхания в настоящее время доказано единство этих процессов и особенно ясно это подтверждено работами С.П. Костычева. Промежуточные продукты, найденные в дрожжах при брожении, найдены и в растениях; катализаторами всех промежуточных реакций брожения и дыхания являются одни и те же ферменты.
Другими словами, процесс брожения до образования пировиноградной кислоты протекает так же, как это наблюдается при дыхании. Процесс брожения тесным образом связан с процессом дыхания.
Пировиноградная кислота под действием фермента пируват-декарбоксилазы расщепляется на ацетальдегид и углекислый газ:

Образовавшийся альдегид уксусной кислоты, присоединяя два атома водорода, восстанавливается в этиловый спирт, под каталитическим действием фермента алкогольдегидрогеназы, коферментом которой является НАД, Источником водорода является НАД-Н2, который образовался на стадии превращения 1,3-дифосфоглицер и нового альдегида в 1,3-дифосфоглицериноную кислоту. Отдавая водород, НАД-Н2 окисляется в НАД, в результате чего он снова приобретает способность окисления новых порций 1,3-дифосфоглицеринового альдегида:

Таким образом, процесс сбраживания молекулы моносахарида в спирт и углекислый газ сопровождается двумя основными категориями реакций фосфорилирование — дефосфорилирование и окислительно-восстановительные реакции. Реакциям переноса водорода. (НАД-Н2?НАД) и фосфора (АДФ?АТФ) отводится исключительно важное значение в процессе брожения и его энергетики.
Для нормального протекания спиртоного брожения требуются определенные условия среды; в щелочной среде уксусный альдегид, выделившийся при разложении пировиноградной кислоты, вступает в окислительно-восстановительную реакцию с другой молекулой уксусного альдегида и, присоединяя молекулу воды, образует уксусную кислоту и этиловый спирт; параллельно идет реакция образования глицерина:

Если же уксусный альдегид связать, например, сернистым натрием, то реакция протекает в сторону образования одного глицерина:

На этих примерах показано влияние промежуточных продуктов и реакции среды на течение реакций спиртового брожения. Естественно предположить, что такие промежуточные продукты, как уксусный альдегид и уксусная кислота, могут быть использованы: для построения веществ клеток и для обмена веществ.