Реакція бродіння глюкози. Види, значення та продукт бродіння

Бродіння глюкози — одна з основних реакцій, за допомогою якої можливе приготування спиртних напоїв. Вона може здійснюватися різними шляхами, в кожному з яких утворюються індивідуальні продукти. Цей процес відіграє ключову роль у багатьох галузях нашого життя, починаючи з кулінарії і приготування винно-горілчаних виробів і закінчуючи реакціями, що протікають в нашому організмі.

Історія

Процесом бродіння глюкози та інших цукрів користувалися ще стародавні люди. Вони їли трохи підброджену їжу. Така їжа була безпечнішою, оскільки містила спирт, у середовищі якого гинули багато шкідливих бактерій. У стародавньому Єгипті та Вавилоні люди вже вміли збражувати багато цукровмісних напоїв і молоко. Коли людям наприкінці 18 століття вдалося краще вивчити цей процес, його види і можливості поліпшення, дуже сильно якісно зросли такі галузі промисловості, як квасо-, пивоваріння і винно-горілчана.

Види бродіння

Як не дивно, але цей процес буває різним. І розрізняють види бродіння глюкози по кінцевих продуктах. Таким чином, існує молочнокисле, спиртове, лимоннокисле, ацетонове, маслянокисле і ще кілька інших. Поговоримо трохи про кожен вид окремо. Молочнокисле бродіння глюкози — основний процес при приготуванні такої продукції, як простокваша, сметана, кефір, сир. Воно також використовується для консервації овочів і виконує ключову функцію в нашому організмі: в умовах нестачі кисню глюкоза перетворюється на кінцевий продукт — молочну кислоту, яка обумовлює болі в м’язах у момент тренування і трохи після неї.

Спиртове бродіння відрізняється тим, що в якості кінцевого продукту утворюється етиловий спирт. Воно відбувається за допомогою мікроорганізмів — дріжджів. І відіграє ключову роль у кулінарії, оскільки крім основного продукту при спиртовому бродінні глюкози виділяється вуглекислий газ (цим і пояснюється пишність дріжджового тесту).

Лимоннокисле бродіння відбувається, як неважко здогадатися, з утворенням лимонної кислоти. Відбувається воно під дією певного виду грибів і є частиною циклу Кребса, який забезпечує дихання всіх клітин нашого організму.

Ацетоно-бутилове бродіння дуже схоже з маслянокислим. В результаті нього утворюються масляна кислота, бутиловий і етиловий спирти, ацетон і вуглекислий газ. При маслянокислому бродінні утворюється лише відповідна назві кислота і вуглекислий газ.

Зараз ми розглянемо всі типи детальніше, а почнемо з самого основного — спиртового бродіння глюкози. Будуть детально розібрані всі реакції і нюанси їх протікання.

Спиртове бродіння

Розповімо трохи більше про бродіння глюкози, рівняння якого: S₆N₁₂O₆ = 2S₂N₅ON + 2CO₂. Що можна дізнатися з цієї реакції? Ми маємо два продукти: етиловий спирт і вуглекислий газ. За рахунок останнього ми і спостерігаємо збухання дріжджового тесту. А за рахунок першого маємо можливість отримати незабутній смак вина і винних напоїв. Але насправді це лише спрощене рівняння. Повна реакція бродіння глюкози складніша, тому давайте розберемо це трохи глибше.

Існує такий процес, як гліколіз. Буквально його назва перекладається як «» розщеплення цукру «». Він відбувається в організмі, і його побічним продуктом є піровіноградна кислота, а основним — аденозинотрифосфорна кислота (АТФ), яка утворюється в ході цієї реакції з іншого з’єднання. Можна сказати, що АТФ є переносником енергії в організмі, і фактично гліколіз служить для забезпечення нашого тіла енергією.

Ми не дарма торкнулися цього процесу. Насправді бродіння дуже схоже з гліколізом, так як перша стадія у них абсолютно однакова. Можна навіть сказати, що реакція спиртового бродіння глюкози є продовженням гліколізу. Утворений в ході останнього піруват (іон піровіноградної кислоти) перетворюється на ацетальдегід (CH₃-C (O) H) з виділенням в якості побічного продукту вуглекислого газу. Після цього отриманий продукт відновлюється коферментом NADH, що міститься в бактеріях. Відновлення призводить до утворення етилового спирту.

Таким чином, реакція бродіння глюкози до етилового спирту виглядає так:

1) C₆H₁₂O₆ = 2 С₃H₄O₃ + 4 H⁺

2) C₃H₄O₃ = CH₃-COH + CO₂

3) СН₃-COH + NADH + H⁺ = C₂H₅OH + NAD⁺

NADH служить каталізатором реакції, а іон NAD ⁺ відіграє ключову роль на ранній стадії гліколізу, і, утворюючись в кінці спиртового бродіння, повертається в процес.

Перейдемо до наступного різновиду досліджуваного типу реакцій.

Молочнокисле бродіння глюкози

Від спиртового цей вид відрізняється тим, що відбувається не під впливом дріжджів, а за допомогою молочнокислих бактерій. Тому ми маємо зовсім різні продукти. Молочнокисле бродіння також відбувається в наших м’язах при високих навантаженнях і нестачі кисню.

Розрізняють два види цього процесу. Перший — гомоферментативне бродіння. Якщо ви хоч раз чули приставку «» гомо «», то напевно розумієте, що вона означає. Гомоферментативне бродіння — це процес за участю одного ферменту. На першій стадії відбувається гліколіз і утворюється піровіоградна кислота. Потім отриманий піруват (в розчині ця кислота може існувати тільки у вигляді іонів) піддається гідруванню за допомогою NADH ⁺ H і лактатдегідрогенази. В результаті продуктом відновлення є молочна кислота, яка становить близько 90% від усіх отриманих в ході реакції продуктів. Це з’єднання, однак, теж може утворюватися у вигляді двох різних ізомерів: D і L. Ці типи відрізняються тим, що є дзеркальними відображеннями один одного і, внаслідок цього, по-різному впливають на наш організм. Те, який ізомер буде утворюватися більшою мірою, визначає будову лактатдегідрогенази.

Перейдемо до другого типу молочнокислого бродіння — гетероферментативного. У цьому процесі беруть участь кілька ферментів, і він йде більш складним шляхом. Через це в ході реакції утворюється більше різних продуктів: крім молочної кислоти, ми можемо знайти там оцту кислоту і етиловий спирт.

Ось ми і розглянули молочнокисле бродіння. Це процес, завдяки якому ми можемо насолоджуватися смаком сиру, простокваші, ряжанки і кефіру. Підіб’ємо підсумки і запишемо в загальному вигляді реакцію молочнокислого бродіння глюкози: C₆H₁₂O₆ = 2 C₃H₆O₃ . Звичайно, це спрощена схема процесу гомоферментативного бродіння, оскільки навіть схема гетероферментативного процесу буде дуже складною. Хіміки досі вивчають молочне бродіння глюкози і з’ясовують повні його механізми, тому нам ще є куди прагнути.

Лимоннокисле бродіння

Реакції цього виду бродіння відбуваються, як і при спиртовому, під дією грибів певного штаму. Повний механізм цієї реакції ще не до кінця вивчений, і ми можемо покладатися тільки на деякі спрощення. Однак є припущення, що початкова стадія процесу являє собою гліколіз. Потім піровіноградна кислота перетворюється по черзі на різні кислоти і доходить до лимонної. Внаслідок такого механізму в реакційному середовищі накопичуються інші кислоти — продукти неповного окислення глюкози.

Цей процес відбувається під впливом кисню, і в загальному вигляді його можна записати таким рівнянням: 2S₆N₁₂O₆ + 3_О2 = 2_S6_N8_O7 + 4_N2O. До того як цей вид бродіння відкрили, люди добували лимонну кислоту виключно витисканням плодів відповідного дерева. Однак у лимоні цієї кислоти не більше 15%, тому цей спосіб виявився недоцільним, і після відкриття цієї реакції всю кислоту почали отримувати методом бродіння.

Маслянокисле бродіння

Перейдемо до наступного типу. Цей вид бродіння відбувається під дією маслянокислих бактерій. Вони широко поширені, а процес, який вони викликають, відіграє ключову роль у біологічно важливих циклах. За допомогою цих бактерій і відбувається розкладання мертвих організмів. Масляна кислота, що утворюється в ході реакцій, приваблює своїм запахом падальників.

Цей вид бродіння використовується в промисловості. Як неважко здогадатися, їм отримують масляну кислоту. Її складні ефіри широко використовуються в парфумерії і мають приємний запах, на відміну від неї самої. Однак не завжди маслянокисле бродіння приносить користь. Воно може викликати псування овочів, консервів, молока та інших продуктів. Але це може статися, якщо тільки в продукт потрапили маслянокислі бактерії.

Розберемо механізм маслянокислого бродіння глюкози. Реакція його виглядає так: C₆H₁₂O₆ → CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂↑ + 2H₂. У результаті також утворюється енергія, яка забезпечує життєдіяльність маслянокислих бактерій.

Ацетоно-бутилове бродіння

Цей тип дуже схожий з маслянокислим. Бродити таким способом може не тільки глюкоза, але і гліцерин, і піровиноградна кислота. Цей процес можна розділити на дві стадії: перша (іноді її називають кислотною) являє собою фактично маслянокисле бродіння. Однак крім масляної, виділяється ще й оцтова кислота. У результаті бродіння глюкози таким способом ми отримуємо продукти, які йдуть у другу стадію (ацетонобутилову). Оскільки весь цей процес відбувається також під дією бактерій, то при підкисленні середовища (підвищенні концентрації кислот) відбувається виділення спеціальних ферментів бактеріями. Вони індукують реакцію перетворення продуктів бродіння глюкози в н-бутанол (бутиловий спирт) і ацетон. Крім цього, може утворюватися деяка кількість етанолу.

Інші види бродіння

Крім перелічених п’яти видів цього процесу, існують ще кілька. Наприклад, це оцтове бродіння. Воно теж відбувається під дією багатьох бактерій. Цей вид бродіння може використовуватися в корисних цілях при маринуванні. Він оберігає їжу від хвороботворних і небезпечних бактерій. Ще розрізняють клацання або метанове бродіння. На відміну від попередніх типів, цей вид бродіння може здійснюватися для більшості органічних сполук. У результаті великої кількості складних реакцій, органічні речовини розщеплюються на метан, водень і вуглекислий газ.

Біологічна роль

Бродіння — найдавніший спосіб видобування енергії живими організмами. Одні істоти виробляють органічні речовини, попутно отримуючи енергію, а інші руйнують ці речовини, теж отримуючи при цьому енергію. На цьому побудовано все наше життя. І в кожному з нас бродіння в тому чи іншому вигляді протікає. Як ми вже говорили вище, молочнокисле бродіння відбувається в м’язах при інтенсивному тренуванні.

Що ще почитати

Якщо вас зацікавила біохімія цього дуже цікавого процесу, варто почати зі шкільних підручників з хімії та біології. У багатьох вузівських підручниках викладено настільки докладний матеріал, що після їх прочитання ви зможете стати просто експертом у цій галузі.

Ув’язнення

Ось ми і підійшли до кінця. Розібрали всі види бродіння глюкози і загальні принципи протікання цих процесів, які відіграють дуже важливу роль як у функціонуванні живих організмів, так і в нашій промисловості. Цілком можливо, що в майбутньому ми відкриємо ще кілька видів цього стародавнього процесу і навчимося використовувати їх на користь собі, як зробили з уже відомими нам.