Спиртовое брожение – процесс превращения углеводов в результате культивирования дрожжей в этанол и диоксид углерода. В производстве пива, спирта, вина, кваса, дрожжевого теста под действием ферментов дрожжей происходит превращение сахара в спирт и углекислый газ.
Молочнокислое брожение – является основным процессом в консервировании овощей и плодов, в изготовлении заквасок, сыра и кисломолочных продуктов, а также в производстве ржаного хлеба. В основе молочнокислого брожения лежат процессы глубокого распада молочного сахара под действием микроорганизмов.
Процесс спиртового брожения описывается уравнением Гей-Люссака
кДж.
Из 180 г глюкозы можно получить 92 г этанола и 88 г диоксида углерода. Однако, наряду c этими первичными продуктами получаются побочные вторичные продукты – глицерин, янтарная кислота, высшие спирты, альдегиды, биомасса дрожжей и др.
При распаде 1 г-моля моносахарида при анаэробном брожении высвобождается около 84 кДж (20 ккал) энергии за счет его биохимического превращения и около 17 кДж (44 ккал) за счет теплоты растворения синтезируемого этанола в воде. Это во много раз меньше, чем при аэробном брожении с полным окислением углеводов и образованием воды и диоксида углерода.
В условиях аэробиоза распад углеводов до образования пировиноградной кислоты происходит так же, как и при анаэробиозе, но в отличие от него пировиноградная кислота полностью окисляется до диоксида углерода и воды в цикле трикарбованных кислот. В этом цикле последовательно протекают окислительно-восстановительные реакции, в которых под действием специфических дегидроназ происходит перенос водорода на молекулярный кислород. Причем перенос осуществляется не непосредственно, а через молекулы-переносчики, образующие дыхательную цепь.
В результате аэробного и анаэробного распада углеводов дрожжами доставляется энергия и обеспечиваются процессы синтеза биомассы различными предшественниками. Из щавелево-уксусной и a-кетоглутаровой кислот в результате восстановительного аминирования и переаминирования образуются, соответственно, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Синтез этих двух аминокислот занимает главное место в синтезе белков из углеводов.
Подготовка (варка) пивного сусла представляет собой комплекс биохимических реакций, протекающих в измельченном солоде под действием гидролиза (в основном, амилаз и протеаз). От правильного ведения гидролитических реакций зависят эффективность процесса брожения, выход, вкус и аромат пива. Процесс сбраживания пивного сусла идет в две стадии: главное брожение, продолжительность которого 6…8 дней, протекает при температуре 5…8 °С; дображивание – от 20 до 100 дней при температуре около 1 °С и абсолютном давлении 0,14…0,15 МПа. На последней стадии идет формирование специфических вкусовых свойств пива и насыщение его диоксидом углерода. Важную роль при достижении этой цели играет раса дрожжей.
В технологии этанола основная цель брожения – получить высокий выход спирта. Крахмалосодержащее сырье подвергают тепловой обработке, что связано с получением гомогенной сваренной массы, с клейстеризацией и превращением крахмала в растворимое легкоподвижное состояние. В таком виде крахмал легко гидролизуется амилазами в сбраживаемые сахара. Осахаренная среда (сусло) сбраживается специальными расами дрожжей Saccharomyces cerivisiae при 28… 30 °С. Важно, чтобы сбраживаемые сахара полностью превратились в этанол, для чего необходимы три условия: высокая активность дрожжей; высокая активность амилаз, превращающих несбраживаемые декстрины и остаточный крахмал в сбраживаемые сахара; предотвращение развития в процессе спиртового брожения посторонней микрофлоры, особенно кислотообразующих бактерий. Сбраживание мелассы осуществляют после ее разбавления водой до необходимой концентрации сахара (около 18…20 % сухих веществ) и тепловой обработки (стерилизации) полученного сусла.
В технологии вин возбудителями спиртового брожения являются специальные винные дрожжи. Широкий ассортимент вин определяется, прежде всего, физиолого-биохимическими особенностями винных дрожжей данной местности, от них в значительной степени зависят букет и вкусовые достоинства вин.
Цель спиртового брожения в хлебопечении – разрыхление теста диоксидом углерода, придание тесту физических свойств, необходимых при его разделке и выпечке изделий. Вследствие большого содержания белков и витаминов группы В дрожжи существенно повышают биологическую ценность хлеба. Наряду с диоксидом углерода и этанолом при брожении теста образуются побочные продукты, обуславливающие вкус и аромат хлеба. Брожение ведется в интервале температур 25…35 °С, величина рН при брожении изменяется от 6 до 5 и ниже, что связано с растворением в тесте диоксида углерода и накоплением органических кислот. В начальный период брожения сбраживаются собственные сахара муки, после чего в процесс брожения вовлекается мальтоза, образующаяся в результате гидролиза крахмала a- и b-амилазами, поступившими в тесто с мукой.
Согласно уравнению брожения в этиловый спирт переходит 66,7 % углерода сахара, в СО2 – 33,3 %. Соотношение между количеством углерода, идущего на построение биомассы и на дыхание, непостоянно и зависит от концентрации сахара в среде, температуры и других условий. С повышением концентрации сахара от 1 до 4 % количество углерода, используемого на построение биомассы, увеличивается с 52…55 до 60…61 % и, соответственно, уменьшается на образование СО2 при дыхании, т.е. процесс становится более экономичным. С понижением температуры среды значительно уменьшается удельный расход сахара на дыхание: при 32 °С он равен 0,22 г, при 20 °С – 0,13 г, при 15 °С – 0,075 г на 1 г прессованных дрожжей. При 36 °С удельный расход сахара на дыхание также ниже, чем при 30°C (0,2 г/г). Коэффициенты полезно использованного углерода при концентрации сахара в среде 2,2 % и температурах 15, 20, 25, 30 и 36 °С соответственно равны (%): 71,6; 67,4; 60,7; 58,5 и 62,7.
С повышением интенсивности окислительных процессов (увеличением интенсивности аэрирования) выход дрожжей по массе сахара, израсходованного в процессе биосинтеза, уменьшается.
Движущей силой процесса молочнокислого брожения являются ферменты, имеющие различное происхождение – это ферменты молока, сычужный фермент и его элементы, а также ферменты микроорганизмов.
К ферментам молока относятся естественная липаза, щелочная и кислая протеазы, щелочная и кислая фосфатазы. Свертывание белков молока сычужным ферментом является одним из наиболее важных процессов при выработке сыра. Сычужное свертывание белков молока включает две стадии – ферментативную и коагуляционную.
При молочнокислом брожении из одной молекулы гексозы молочного сахара образуются две молекулы молочной кислоты
.
Начальной фазой изменения лактозы является расщепление ее ферментом на глюкозу и галактозу, дальнейшее преобразование которых идет по пути гомоферментативного или гетероферментативного брожения. Основная масса этих моносахаров сбраживается в первые дни, причем глюкоза сбраживается быстрее.
Расщепление белков (протеолиз) протекает под действием протеолитических ферментов, в результате чего образуются многочисленные азотосодержащие соединения. Продуктами распада белков в молочных продуктах являются пектиды различной молекулярной массы и аминокислоты. В результате распада белков и аминокислот молочные продукты обогащаются растворимыми в воде азотистыми и безазотистыми соединениями, в результате чего готовый продукт приобретает необходимую консистенцию, характерный вкус и запах. На стадии разложения аминокислот микроорганизмами происходит их дезаминирование, которое в зависимости от условий среды может идти окислительным, гидролитическим и восстановительным путями.
Окислительное дезаминирование сопровождается образованием кетокислот
.
При гидролитическом дезаминировании образуются оксикислоты
.
В результате восстановительного дезаминирования образуются карбоновые кислоты
.
Гидролиз жира (липолиз) происходит под действием фермента липазы, выделяемой молочнокислыми бактериями и другими микроорганизмами, а также липаз молокосвертывающих ферментов. В результате гидролиза триглицириды жира расщепляются на глицерин и жировые кислоты, а при взаимодействии с водой процесс протекает следующим образом:
Гидролиз триглицеридов ускоряется под действием липолитических ферментов, высоких температур и влажности. Продуктами биохимического расщепления жиров являются ди-, моноглицериды и свободные жирные кислоты (масляная, капроновая, каприловая).
Глицерин потребляется молочно-кислыми бактериями, а жирные кислоты накапливаются в сыре.
Молочнокислое брожение играет большую роль в засолке огурцов и помидоров, квашении капусты, мочке яблок. Молочная кислота является консервирующим фактором, предотвращающим развитие посторонней, особенно гнилостной, микрофлоры, придает продукту специфические вкус и аромат.
В технологии молочной кислоты используются термофильные молочнокислые бактерии (Lbm. cereale, по старой номенклатуре – Delbrukii). Основным сырьем является свекловичная меласса. Оптимальная температура действия этих бактерий лежит в пределах 48…55 °С. Мелассу разбавляют водой до концентрации 3…4 % (по сахару), пастеризуют при 70 °С, затем раствор охлаждают до 48…50 °С, вносят культуру молочнокислых бактерий. Для поддержания оптимального значения рН (5,5…6,0) используют СаСО3. В ходе брожения вводят такое количество сахара, чтобы содержание лактата в культуральной жидкости было около 15 %. Брожение продолжается 6…8 сут. Выход молочной кислоты составляет около 90 % от массы сахара. Выделяют молочную кислоту из культуральной жидкости в виде лактата кальция, из которого разложением серной кислотой получают чистую молочную кислоту.
Молочнокислое брожение в технологии ржаного хлеба необходимо, во-первых, для накопления достаточно большого количества молочной кислоты, осуществляющей инактивацию a-амилазы (этот фермент весьма активен в ржаной муке и проявляет интенсивное декстринирующее действие на крахмал при выпечке хлеба); во-вторых, для придания хлебу кисловатого вкуса и приятного аромата; в-третьих, для разрыхления теста диоксидом углерода.
Для брожения используется часть старого выбродившего теста, получившего название закваски и содержащего как гомоферментативные, так и гетероферментативные молочнокислые бактерии. В зависимости от количественного соотношения этих видов бактерий, условий их жизнедеятельности в тесте будут накапливаться в разных количествах и продукты брожения.