Пищевая Биохимия / 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

Глава 11. Процессы брожения

L. citrovorum и др. Leuconostoc mesenteroides расщепляет рибозу до лактата и ацетата, тогда как при окислении фруктозы гетероферментативными бактериями продуктами их жизнедеятельности являются лактат, ацетат, СО2 и маннитол.

Бактерии рода Lactobacterium. Их относят к палочковидным. Клетки этих бактерий имеют разнообразную форму — от кокковидной до длинной нитевидной. Могут располагаться одиночно, попарно или в виде цепочки. Все бактерии рода разделены на две группы. К первой группе принадлежат бактерии, которые хорошо растут при температуре около 45 °С. Это следующие виды: Lact. delbrueckii, Lact. bulgaricus, Lact. acidophilus

идр. Ко второй группе относят бактерии, которые хорошо развиваются при температуре 15…38 °С, с оптимумом при 30 °С. В эту группу входят виды Lact. casei и Lact. plantarum.

Бактерии рода Bifidobacterium. Имеют вид прямых или разветвленных (V-формы) палочек, неподвижны, грамположительные. Температурный оптимум развития приходится на 36…38 °С. Основным местом обитания бифидобактерий служит кишечник грудных детей. Они участвуют в процессе пищеварения и всасывания белков, липидов и минеральных веществ за счет выработки специализированных ферментов. Обеспечивают организм витаминами группы В, K и С.Обладают иммунностимулирующей, антиаллергической и противоопухолевой активностью, подавляют развитие патогенных микроорганизмов, таких как золотистый стрептококк, шигелла зонне, шигелла фикснера, протей, патогенная кишечная палочка, сальмонелла. Нейтрализуют производимые ими токсины. Устойчивы к действию антибиотиков (стрептомицин, мономицин, левомицетин, канамицин, оксациллин, полимиксин, гентамицин и бензилпенициллин). Представитель рода Bifidobacterium bifidum относится к группе гетероферментативных. Все представители рода Bifidobacterium анаэробы. Бифидобактерии способны расщеплять углеводы до молочной и уксусной кислот. Кроме того, в небольших количествах бифидобактерии продуцируют муравьиную и янтарную кислоты. Окисление глюкозы происходит при участии ферментов пентозофосфатного пути превращения углеводов.

Впервые способ получения кисломолочных продуктов, содержащих бифидобактерии, разработали японские ученые. Ими был использован кислотоустойчивый штамм B. bifidum YIT-4002. В России для приготовления кисломолочных продуктов используется штамм B. adolescentis MC-42

иштамм B. longum B379M. В настоящее время бифидобактериями обогащают молоко, творог, сливочное масло, мороженое, сыры. Для этих целей используются как жидкие концентраты бифидобактерий, так и лиофилизированные образцы.

При изготовлении закваски используют биомассу микроорганизмов, которую выращивают на стерилизованном обезжиренном молоке с кис-

188

11.3. Пропионовокислое брожение

лотностью не выше 19 °Т при 37…39 °С в течение 12…18 ч. Приготовленную закваску охлаждают до 3…5 °С, а затем хранят при той же температуре до 7 суток.

При производстве кисломолочных продуктов используют различные культуры кисломолочных бактерий. Так, например, для изготовления кисломолочного масла используют Streptococcus lactis, Str. cremoris и Leuconostoc cremoris. Тогда как для свертывания казеина в производстве творога и сыров (гарцского и майнцского) используют Streptococcus lactis или Lactobacillus bulgaricus и Str. thermophilus. При этом молочнокислые бактерии Lactobacillus casei, Str. lactis участвуют в стадии созревания сыров.

11.3. ПРОПИОНОВОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Местом основного обитания пропионовокислых бактерий служит рубец и кишечник жвачных животных. Эти бактерии участвуют в образовании жирных кислот, превращают молочную кислоту в пропионовую. При производстве сычужного фермента из сычуга телят в образцы лиофилизированного фермента попадают и пропионовокислые бактерии, которые совместно с химозином участвуют в процессе свертывания молока. Это нашло применение при производстве швейцарских сычужных сыров.

Имеется несколько видов пропионовокислых бактерий Propionibacterium freudenreichii, P. acidi-propionici, Clostridium propionicum, Selenomonas и Micromonospora. В бактериях рода Propionibacterium протекают метаболические процессы пропионовокислого брожения. Бактерии имеют булавовидные формы — с одним из закругленных концов, а другой вытянут в форме конуса. Располагаются одиночно, парами или образуют цепочки. Спор не образуют, грамположительные. Оптимальным условием развития служит температура 30…37 °С, рН 7,0. Питательными субстратами бактерий являются углеводы, органические кислоты, спирты и др. Особенностью метаболизма пропионовокислых бактерий является их способность превращать молочную кислоту в пропионовокислую и уксусную кислоты, накапливая при этом в значительных количествах витамин В12.

В анаэробных условиях представители рода Propionibacterium способны сбраживать глюкозу, сахарозу, лактозу и пентозы, а также лактат, малат, глицерин и другие субстраты, с образованием пропионовой кислоты. Для расщепления углеводов используются ферменты пентозофосфатного пути окисления.

Восстановление лактата или пирувата протекает через образование ме- тилмалонил-КоА (рис. 11.3). Сначала пируват карбоксилируется метилма- лонил-КоА-карбокситрансферазой (2) с образованием оксалоацетата. Затем при участии малатдегидрогеназы (3), фумаразы (4) и фумаратредуктазы (5)

189

Глава 11. Процессы брожения

H3C C H C OOH

OH

H OOC CH2 CH2 C OOH

H SK oA

H2O 6

H OOC C H2 C H 2 C O SK oA

7

H OOC C H C O SK oA

C H3

H3C C H2 C O SK oA

H SK oA 8

H3C CH2 C OOH

Рис. 11.3. Процесс образования пропионата (1 — лактатдегидрогеназа, 2 — ме- тилмалонил-КоА-карбокситрансфераза, 3 — малатдегидрогеназа, 4 — фумараза, 5 — фумаратредуктаза, 6 — сукцинил-КоА-трансфераза, 7 — метилмалонил- КоА-мутаза, 8 — пропионат-КоА-трансфераза)

происходит последовательное восстановление оксалоацетата в малат и фумарат до сукцината, который с помощью сукцинил-КоА-трансферазы

(6) присоединяется к HS-КoA, с образованием сукцинила-КoA. Действием метилмалонил-КоА-мутазы (7) сукцинил-КоА превращается в метилмало- нил-КоА. Реакция протекает при участии кофермента В12. Метилмалонил- КоА-карбокситрансфераза (2) отщепляет от метилмалонил-КоА СО2, в результате образуется пропионил-КоА. Затем пропионат-КоА-трансфераза

(8) превращает пропионил-КоА в пропионат. Таким образом, в процессе

190

ГЛАВА 12

МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ

Вклетках различных органов и тканей растений осуществляется синтез

иокисление жирных кислот, синтез триацилглицеринов, фосфолипидов, стероидов и др., которые представляют сумму метаболических процессов с участием липидов (рис. 12.1). Липиды входят в состав всех клеток растительного организма, так как они являются основными компонентами мембран. Процессы окисления липидов обеспечивают энергетические потребности растительных организмов. Накопление липидов в клетках повышает адаптационный потенциал растений, их выживание при низких температурах. Больше всего липидов содержится в семенах масличных растений. Причем основными веществами, из которых образуются липиды, являются продукты расщепления углеводов, в частности моносахаридов, глицерол-3-фосфат, фосфодиоксиацетон, пировиноградная кислота, аце- тил-КоА и др.

Метаболизм

липидов

Липогенез, синтез стероидов,

Липолиз,

синтез глицерина,

окисление нейтральных липидов,

синтез нейтральных липидов,

окисление глицерина,

синтез фосфолипидов

окисление фосфолипидов

Рис. 12.1. Основные метаболические процессы синтеза и окисления липидов в растительных организмах

192