Управление процессом спиртового брожения: получение спирта, глицерина и уксусной кислоты.

Ниже представлена схема ЭМП, которая объединяет процессы анаэробного гликолиза - (реакции 1-10), молочнокислого брожения под действием молочнокислых бактерий (реакции 1-11), анаэробного гликолиза в мышцах (реакции 17-19, 2-11), спиртового брожения (реакции 1-10, 12-13 ), уксуснокислого брожения (реакции 1-10, 12, 14) и процесс образования глицерина при спиртовом брожении (реакции 1-5,15, 16).

 

 

Как показывает анализ уравнений лежащих в основе спиртового брожения (1-10,12,13) для оптимальными условиями спиртового брожения являются следующие:

1. Чистая культура винных дрожжей

2. Отсутствие кислорода

3. Кислая реакция среды

4. Наличие в сбраживаемом растворе фосфатов

Процесс спиртового брожения настолько хорошо изучен, что можно в него вмешиваться и направленно его изменять.

Нормальный ход брожения, при котором образуются этиловый спирт и углекислый газ, можно направить таким образом, чтобы вместо этилового спирта получить глицерин. Такой распад глюкозы в дрожжах получил название второй формы брожения и он осуществляется следующим образом.

К раствору подвергающейся сбраживанию дрожжами глюкозы добавляют гидросульфит натрия, который связывает уксусный альдегид в бисульфитное соединение:

СН₃СНО + NaHSО₃ → CH₃CН(ОН)О(SO)ONa

Этим самым образующийся при декарбоксилировании пировиноградной кислоты уксусный альдегид выключается из процесса гликолиза и не восстанавливается НАДН. Вместо уксусного альдегида акцептором водорода от НАДН в этом случае становится диоксиацетонфосфат, восстанавливающийся в глицеро-1-фосфат

Глицеро-1-фосфат затем под влиянием фосфатазы подвергается гидролизу, превращаясь в глицерин и фосфорную кислоту. Моль глюкозы при второй форме брожения образует моль глицерина, моль бисульфитного соединения уксусного альдегида и моль углекислого газа.

С₆H₁₂O₆ + NaHSО₃ → СН₂ОНСНОНСН₂ОН + CH₃CН(ОН)SO₃Na + СО₂

Вторая форма брожения была разработана и предложена для производственного получения глицерина из углеводов К. Нейбергом.

Наряду со второй формой существует еще и третья форма спиртового брожения, при которой получается, кроме этилового спирта, и уксусная кислота. Третья форма брожения имеет место в том случае, когда реакция сбраживаемой дрожжами смеси щелочная. В этих условиях уксусный альдегид не восстанавливается обычным путем в спирт, а подвергается диспропорционированию (Реакция Канницаро) с образованием этанола и уксусной кислоты.

Следует отметить, что при достаточной кислотности сбраживаемой дрожжами смеси, но в присутствии кислорода выход спирта падает практически до нуля, а образуется уксусная кислота, что используется в производстве фруктового и плодового уксуса. Это обусловлено тем, что дрожжи в отличие от молочнокислых бактерий могут жить и в присутствии килорода и в его отсутствии. При отсутствии кислорода образующийся ацетальдегид может либо восстанавливаться до спирта при нормальной кислотности среды, либо диспропорционировать на спирт и уксусную кислоту при недостаточной кислотности. Когда дрожжи способны регенерировать НАД⁺ с помощью дыхательной цепи и кислорода, становится возможным окисление ацетальдегида НАД⁺.

Поскольку молочнокислые бактерии не потребляют кислород молочнокислое брожение можно проводить в присутствии кислорода в отличие от спиртового брожения.

Анаэробный гликолиз в клетках тканей животных и человека также имеет место. Но как глюкоза попадает в клетки различных органов животных и человека. Если глюкоза свободно проникает в клетки микроорганизмов – бактерий и грибов, то в клетки человеческого организма она свободно не проникает из крови, а переносится внутрь клеток с помощью специального переносчика – инсулина. В том случае, если инсулин в крови отсутствует глюкоза не поступает из крови в клетки, а остается в крови и выводится с мочой (сахарный диабет). Клетка начинает испытывать углеводное голодание, но не погибает сразу, поскольку природа позаботилась об альтернативных способах получения энергии.

Пируват образуется в человеческом организме не только из глюкозы, но также из пяти аминокислот (т.е. из белка) и при β-окислении жирных кислот (т.е. из жиров).

Глюкоза свободно, без помощи инсулина проникает через ГЭБ и попадает в ЦНС. В клетках ЦНС глюкоза является основным источником образования пирувата и получения таким образом энергии. Поэтому при полном отсутствии глюкозы в крови мозг быстро погибает.

Животные выработали определенный механизм страховки от таких случаев. Они накапливают излишки глюкозы (на черный день) в виде животного крахмала – гликогена, который накапливается главным образом в клетках печени. Когда содержание углеводов в пище падает, глюкозо-6-фосфат образуется из гликогена (фермент – гликогенфосфорилаза), поступает в кровь и разносится с током крови по клеткам различных органов.

Нехватка кислорода в клетках мыщц соответственно приводит к накоплению в них молочной кислоты (Реакция Пастера – дыхательный контроль).