Теория брожения

В биохимии теория ферментации относится к историческому изучению моделей естественных процессов ферментации, особенно спиртовой и молочнокислой ферментации. Известными авторами теории являются Юстус фон Либих и Луи Пастер , последний из которых разработал чисто микробную основу для процесса ферментации на основе своих экспериментов. Работа Пастера по ферментации позже привела к разработке им микробной теории болезней , которая положила конец концепции спонтанного зарождения. ^[1] Хотя процесс ферментации широко использовался на протяжении всей истории до возникновения преобладающих теорий Пастера, основные биологические и химические процессы не были полностью поняты. В настоящее время ферментация используется в производстве различных алкогольных напитков, продуктов питания и лекарств. ^{[2] [3]}

Ферментация — это анаэробный метаболический процесс, который преобразует сахар в кислоты, газы или спирты в среде с недостатком кислорода. Дрожжи и многие другие микробы обычно используют ферментацию для осуществления анаэробного дыхания , необходимого для выживания. Даже человеческое тело время от времени выполняет процессы ферментации, например, во время бега на длинные дистанции; молочная кислота будет накапливаться в мышцах в ходе длительных нагрузок. В человеческом теле молочная кислота является побочным продуктом ферментации, производящей АТФ , которая вырабатывает энергию, чтобы тело могло продолжать тренироваться в ситуациях, когда поступление кислорода не может быть обработано достаточно быстро. Хотя ферментация дает меньше АТФ, чем аэробное дыхание, она может происходить с гораздо большей скоростью. Ферментация использовалась людьми сознательно примерно с 5000 г. до н. э., о чем свидетельствуют найденные в районе иранских гор Загрос кувшины , содержащие остатки микробов, похожих на те, которые присутствуют в процессе виноделия.

До исследований Пастера по ферментации существовало несколько предварительных конкурирующих представлений о ней. Одним из ученых, оказавших существенное влияние на теорию ферментации, был Юстус фон Либих . Либих считал, что ферментация в значительной степени является процессом разложения в результате воздействия на дрожжи воздуха и воды. ^[4] Эта теория была подтверждена наблюдением Либиха, что другие разлагающиеся вещества, такие как гнилые части растений и животных, взаимодействуют с сахаром таким же образом, как и дрожжи. То есть, разложение белковых веществ (т. е. водорастворимых белков) приводило к преобразованию сахара в спирт. ^{[4] [5]} Либих придерживался этой точки зрения до своей смерти в 1873 году. ^[4] Другая теория была поддержана Шарлем Каньяром де ла Туром и теоретиком клеток Теодором Шванном , которые утверждали, что спиртовое брожение зависит от биологических процессов, осуществляемых пивными дрожжами. ^{[6] [5]}

Интерес Луи Пастера к брожению возник, когда во время его биохимических исследований он заметил некоторые замечательные свойства амилового спирта — побочного продукта брожения молочной кислоты и спирта. В частности, Пастер отметил его способность «вращать плоскость поляризованного света » и его «несимметричное расположение атомов». ^[4] Такое поведение было характерно для органических соединений, которые Пастер ранее исследовал, но также представляло препятствие для его собственных исследований о «законе гемиэдрической корреляции». ^{[6] [7]} Ранее Пастер пытался вывести связи между химическими структурами веществ и внешней формой, и оптически активный амиловый спирт не соответствовал его ожиданиям в соответствии с предложенным «законом». ^[6] Пастер искал причину того, почему произошло это исключение, и почему такое химическое соединение изначально образовалось в процессе ферментации. ^[6] В серии лекций позднее в 1860 году Пастер попытался связать оптическую активность и молекулярную асимметрию с органическим происхождением веществ, утверждая, что никакие химические процессы не способны преобразовывать симметричные вещества (неорганические) в асимметричные (органические). ^[6] Таким образом, наблюдение за амиловым спиртом дало некоторые из первых мотиваций для биологического объяснение брожения.

В 1856 году Пастеру удалось наблюдать микробов, ответственных за спиртовое брожение, под микроскопом, будучи профессором естественных наук в Университете Лилля . ^{[4] [6]} Согласно легенде, берущей начало в биографии Пастера 1900 года, один из его студентов-химиков — владелец завода по производству свекловичного спирта в Лилле — обратился к нему за помощью после неудачного года пивоварения. ^[6] Пастер проводил эксперименты на заводе, наблюдая за процессом брожения, заметив, что дрожжевые шарики становились удлиненными после образования молочной кислоты, но круглыми и полными, когда спирт бродил правильно. ^[6]

В другом наблюдении Пастер исследовал частицы, происходящие из виноградной лозы, под микроскопом и обнаружил присутствие живых клеток. Погружение этих клеток в виноградный сок приводило к активному спиртовому брожению. Это наблюдение предоставило доказательства для прекращения различия между «искусственным» брожением в вине и «истинным» брожением в дрожжевых продуктах. ^[4] Предыдущее неверное различие частично возникло из-за того, что дрожжи должны были быть добавлены в пивное сусло, чтобы спровоцировать желаемое спиртовое брожение, в то время как катализаторы брожения для вина происходили естественным образом на виноградной лозе; брожение вина рассматривалось как «искусственное», поскольку оно не требовало дополнительного катализатора, но естественный катализатор присутствовал на самой виноградной лозе. ^[8] Эти наблюдения предоставили Пастеру рабочую гипотезу для будущих экспериментов. ^{[6] [7]}

Одним из химических процессов, которые изучал Пастер, было брожение сахара в молочную кислоту, как это происходит при скисании молока. В эксперименте 1857 года Пастер смог выделить микроорганизмы, присутствующие в молочнокислом брожении после того, как химический процесс имел место. ^[9] Затем Пастер культивировал микроорганизмы в культуре в своей лаборатории. Затем он смог ускорить процесс молочнокислого брожения в свежем молоке, введя в него культивированный образец. ^[7] Это был важный шаг в доказательстве его гипотезы о том, что молочнокислое брожение катализируется микроорганизмами. ^{[7] [9]}

Пастер также экспериментировал с механизмами пивных дрожжей при отсутствии органического азота. ^[6] Добавив чистые пивные дрожжи к раствору тростникового сахара, соли аммония и дрожжевой золы, Пастер смог наблюдать процесс спиртового брожения со всеми его обычными побочными продуктами: глицерином , янтарной кислотой и небольшими количествами целлюлозы и жирных веществ. ^[6] Однако, если какой-либо из ингредиентов был удален из раствора, брожение не произошло бы. Для Пастера это было доказательством того, что дрожжам требуются азот, минералы и углерод из среды для их метаболических процессов, выделяя угольную кислоту и этиловый спирт в качестве побочных продуктов. ^{[5] [6]} Это также опровергло теорию Либиха, поскольку в среде не присутствовало белкового вещества; разложение дрожжей не было движущей силой наблюдаемого брожения. ^{[5] [6]}

До 1860-х и 1870-х годов, когда Пастер опубликовал свою работу по этой теории, считалось, что микроорганизмы и даже некоторые мелкие животные, такие как лягушки, будут спонтанно зарождаться . Самозарождение исторически объяснялось разными способами. Аристотель, древнегреческий философ, выдвинул теорию о том, что существа появились из определенных смесей земных элементов, таких как глина или грязь, смешанных с водой и солнечным светом. ^[10] Позже Феликс Пуше утверждал о существовании «пластических сил» в растительных и животных отходах, способных спонтанно зарождать яйца, и из этих яиц рождались новые организмы. ^{[5] [6]} Вдобавок к этому, распространенным доказательством, которое, казалось, подтверждало эту теорию, было появление личинок на сыром мясе после того, как оно оставалось на открытом воздухе.

В 1860-х и 1870-х годах интерес Пастера к самопроизвольному зарождению заставил его критиковать теории Пуше и проводить собственные эксперименты. ^[6] В своем первом эксперименте он взял кипяченую подслащенную дрожжевую воду и запечатал ее в герметичном приспособлении. Подача горячего стерильного воздуха в смесь оставила ее неизменной, в то время как введение атмосферной пыли привело к появлению микробов и плесени внутри смеси. ^{[5] [6]} Этот результат был также подкреплен тем фактом, что Пастер использовал асбест, форму полностью неорганического вещества, для переноса атмосферной пыли. Во втором эксперименте Пастер использовал те же колбы и смесь сахара и дрожжей, но оставил ее бездействующей в колбах с «лебединой шеей» вместо того, чтобы вводить какие-либо посторонние вещества. Некоторые колбы были открыты для общего воздуха в качестве контрольной группы, и в них в течение дня или двух наблюдался рост плесени и микробов. Когда колбы с лебединой шеей не показали тех же самых микробных ростов, Пастер пришел к выводу, что структура горлышка блокирует прохождение атмосферной пыли в раствор. ^{[5] [6]} На основании двух экспериментов Пастер пришел к выводу, что атмосферная пыль переносит микробы, ответственные за «спонтанное зарождение» в его бульонах. ^[6] Таким образом, работа Пастера предоставила доказательства того, что возникающий рост бактерий в питательных бульонах вызван биогенезом, а не какой-то формой спонтанного зарождения.

Сегодня процесс ферментации используется для множества повседневных применений, включая лекарства, напитки и продукты питания. В настоящее время такие компании, как Genencor International, используют производство ферментов, участвующих в ферментации, чтобы получить доход более 400 миллионов долларов в год. ^[3] Многие лекарства, такие как антибиотики, производятся в процессе ферментации. Примером является важный препарат кортизон , который может быть получен путем ферментации растительного стероида, известного как диосгенин .

Ферменты, используемые в реакции, предоставляются плесенью Rhizopus nigricans . ^[11] Как общеизвестно, алкоголь всех типов и марок также производится путем брожения и дистилляции . Самогон является классическим примером того, как это осуществляется. Наконец, такие продукты, как йогурт, также производятся с помощью процессов брожения. Йогурт является ферментированным молочным продуктом, который содержит характерные бактериальные культуры Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermopiles . ^[12]

• Клеточное дыхание
• Дистилляция
• Ферментация в пищевой промышленности
• Луи Пастер
• Самопроизвольное зарождение
• Заразные заболевания (от греческого термина zumoun — «фермент»)