Глава 2. Брожение

Брожение (ферментация) — являлось наиболее изученным в прошлые времена химическим явлением.

Опытным путём было выяснено, что спирт образуется в результате брожения лишь сладких (содержащих сахар) веществ, что в процессе брожения образуется газ, признанный позже фиксированным воздухом, и характерный осадок на дне сосуда. Однако брожение первоначально рассматривали как процесс разложения, вызванный веществом, которое само находится в стадии разложения. В 1659 г. существовала такая теория брожения [8]: «Ферментация — это внутреннее движение, которым охвачены с помощью необходимой для этого влажности, различные, не слишком связанные между собой составы (из соли, масла и земли), которые благодаря длительному перемещению относительно друг друга, взаимно сталкиваются и истираются. В результате этого нарушается существовавшая взаимная связь частиц и оторвавшиеся частицы, уменьшившиеся в размерах благодаря постоянному трению, переводятся в новое, более прочное соединение».

Химический процесс спиртового брожения был впервые разъяснён Антуаном Лаувазье [16] в 1789 г. Путём количественных исследований он показал, что сахар распадается при брожении на этиловый спирт и углекислоту (по Лаувазье при этом также образуется и уксусная кислота).

В 1836 г. французский учёный Шарль Каньяр де Ла-Тур установил, что спиртовое брожение неотъемлемо связано с ростом и размножением дрожжей [16]. Бродильная сила дрожжей первоначально объяснялась двумя принципиально различными предположениями. Луи Пастер в 1857 г. пришёл к выводу, что спиртовое брожение могут вызывать только живые дрожжи в анаэробных (без кислорода) условиях [17]. Своё предположение он основывал на том, что стерилизованные растворы сахара, если их предохранить от попадания дрожжевых зародышей из воздуха, не подвергаются брожению. Тем самым было доказано, что спиртовое брожение вызывается дрожжами, и поэтому долгое время считали, что процесс расщепления сахара на спирт и углекислый газ обязательно связан с жизнедеятельностью дрожжей.

В противовес этому немецкий учёный Юстус Либих (1803—1873 г.г.) настаивал на том, что разложение сахара представляет собой явление, лишь сопутствующее росту дрожжей, но не является частью собственно жизненных процессов этих микроорганизмов. Однако теория Либиха в то время не получила широкого распространения. Общепринятое предположение Пастера о том, что брожение могут вызывать только живые дрожжи, было опровергнуто в 1871 г. русским врачом-биохимиком М. М. Манассеиной, установившей путём ряда опытов, что и совершенно убитые дрожжевые клетки способны вызывать брожение [5]. Через 26 лет в 1897 г. немецкий биохимик Бухнер повторил её опыты и подтвердил, что брожение не требует обязательного присутствия именно живой клетки. Для этого он уничтожил клеточные оболочки дрожжей, растерев их с кварцевым песком. Из полученной массы он под большим давлением выжал сок и установил, что ничтожная добавка этого сока вызывает брожение большого количества сахара. Чтобы опровергнуть утверждение оппонентов, что брожение вызывается находящейся в отжатом соке «живой протоплазмой», Бухнер предварительно убил дрожжи ацетоном, а затем показал, что сок, отжатый из таких дрожжей, не уступает по действию соку, отжатому из живых клеток [18]. Попутно было установлено, что при нагревании до 50^оС и выше сок в обоих случаях утрачивает бродильные свойства.

Таким образом было доказано, что брожение вызывается находящимся внутри дрожжевых клеток веществом, которое не теряет своей активности и вне дрожжевой клетки. Это вещество, вызывающее спиртовое брожение, Бухнер назвал зимазой. Оно относится к группе веществ, называемых энзимами или ферментами (см. выше).

Превращение сахара в спирт и углекислый газ происходит при контакте с ферментом, т.е. внутри дрожжевой клетки. Выделяемый клеткой спирт равномерно и неограниченно растворяется в бродящей жидкости, но углекислый газ имеет предел растворимости. Поэтому по достижении насыщения он начинает скапливаться на поверхности дрожжевых грибков. В результате они всплывают к поверхности (визуально жидкость как бы кипит), где газ освобождается, а дрожжи опускаются на дно сосуда.

В 1905 г. русский химик Л. А. Иванов обнаружил, что добавление фосфатов в несколько раз повышает скорость брожения. В ходе дальнейшего изучения механизма спиртового брожения, в основном русскими и немецкими учёными было установлено, что часть энергии, освобождающейся при расщеплении сахара, запасается дрожжевыми клетками в виде АТФ (микроскопических, богатых энергией фосфатных соединений), что обеспечивает дрожжам их разнообразные энергетические потребности. В аэробных (в присутствии кислорода) условиях жизнедеятельности дрожжи разлагают сахара полностью до воды и углекислого газа с выделением определённого количества тепловой энергии. При анаэробных (в отсутствии кислорода) условиях дрожжи не доводят расщепление сахаров до конца и в процессе их жизнедеятельности образуется этиловый спирт и углекислый газ. Но выделяемое при этом количество теплоты составляет примерно 7% от энергии, выделяющейся при полном распаде сахаров до воды и углекислого газа. Компенсируя этот недостаток, дрожжи вызывают усиленное брожение. При наличии кислорода спиртовое брожение угнетается или прекращается совсем. В этом случае дрожжи получают энергию для жизнедеятельности в процессе дыхания и, при достаточном количестве пищи, содержащей азот и фосфор, усиленно размножаются, не вызывая спиртового брожения.

При техническом спиртовом брожении, когда в качестве сырья используется предварительно осахаренный солодом крахмал зерновых культур или картофеля, дополнительно образуются так называемые сивушные масла, открытые Кагуром в 1839 г. Сивушные масла представляют собой смесь летучих высших спиртов — н-пропилового, изопропилового, изобутилового, двух амиловых, гексилового и гептилового. Кроме того, получается некоторое количество янтарной кислоты [17]. Эти побочные продукты образуются из аминокислот белковых веществ, содержащихся как в исходных материалах для винокурения, так и в меньшей степени в белках собственно дрожжевых клеток, количество которых непрерывно пополняется вследствие процессов белкового обмена у дрожжей. Продукты расщепления этих белковых веществ доставляют усвояемый азот, необходимый для жизнедеятельности дрожжей, и при этом переходят в соответствующие альдегиды, а затем и в высшие спирты. Поэтому количество образующихся в бродильной жидкости сивушных масел можно существенно уменьшить, если усвояемый азот давать дрожжам в виде аммониевых солей, например, сернокислого аммония. Если же к бродильной жидкости прибавить лицин, то выход сивушного масла увеличится [17].

Из сказанного следует ещё один важный вывод. Несмотря на то, что в сбраживаемом виноградном соке отсутствуют растительные белки, а азотистых веществ вполне достаточно для обеспечения жизнедеятельности дрожжей, тем не менее, при перегонке такого виноматериала возможно наличие в дистилляте некоторого количества сивушных масел, образующихся при расщеплении белков самих дрожжевых грибков. Однако количество сивушных масел при брожении виноградного сока (или сахарной браги) будет, естественно, существенно меньшим, чем при перегонке браги, из зерна, сахарной свёклы и, тем более, из картофеля.

Кроме спиртового брожения, в результате которого образуется этиловый (винный) спирт, существуют и другие виды брожения, широко используемые в хозяйственной деятельности человека [16]. К ним относятся:

Молочнокислое брожение, которое вызывается двумя группами грибков. Первые в процессе брожения расщепляют моносахариды — глюкозу и фруктозу с образованием молочной кислоты. Вторые — ведут сбраживание с образованием молочной кислоты, уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа и некоторого количества ароматических веществ. Соответственно, в первом случае молочнокислое брожение используется для получения молочной кислоты при изготовлении различных кисломолочных продуктов и для силосования кормов в сельском хозяйстве. Во втором случае брожение происходит при консервировании различных плодов и овощей путём квашения.

Уксусноеброжение, которому подвержены спиртосодержащие жидкости. Оно заключается в окислении этилового спирта в уксусную кислоту особыми бактериями, называемыми уксусными грибками. Эти бактерии, размножаясь на поверхности содержащих спирт жидкостей, окисляют этиловый спирт кислородом воздуха в уксусную кислоту. Так как бактериям нужна пища, содержащая, как было отмечено выше, азот и фосфор, то уксусное брожение может происходить в виноградном соке, вине и пиве. В водных растворах чистого спирта, не содержащих соединений азота и фосфора, уксусное брожение не происходит.

Очевидно, что в окружающей среде все упомянутые дрожжевые грибки находятся не только повсеместно и одновременно, но и в некотором избытке. В самом деле, ни одной домохозяйке и в голову не придёт искать где-то молочнокислые бактерии для квашения капусты или засолки огурцов. Все ингредиенты просто закладываются в подходящую тару, заливаются (при солении огурцов или томатов) тёплой водой, а сверху помещают небольшой груз, чтобы плоды находились под слоем рассола [20]. Горло сосуда обвязывают салфеткой и, как любил говорить один обанкротившийся политик, «процесс пошёл».

Ещё более интересным, с этой точки зрения, представляется процесс изготовления в домашних условиях яблочного уксуса [21]. Здесь его уместно рассмотреть, чтобы не допустить скисания в уксус виноградного сусла при брожении.

Для получения яблочного уксуса готовится кашица из перетёртых сладких яблок, желательно осенних сортов созревания, в которых больше полезного полисахарида пектина. В неё для увеличения крепости конечного продукта добавляется сахар и некоторое количество воды для образования жидкой субстанции. Туда же вносится 1—2 ломтика подсушенного ржаного хлеба без подгорелых корок — источника витаминов группы В и немного пекарных дрожжей или бродящего виноградного вина, содержащего дрожжи. Горло сосуда (по возможности широкое для свободного доступа кислорода) обвязывается марлей с крупной ячеёй, чтобы в него не попадал случайный мусор. а сам сосуд помещается в тёплое затемнённое место. В сосуде одновременно протекают два процесса. Сначала вызывающие спиртовое брожение дрожжи сбраживают сахар и яблочный сок в этиловый спирт, а затем уксусные грибки окисляют спирт кислородом воздуха в уксусную кислоту. При правильном выборе соотношения участвующих в брожении ингредиентов яблочный уксус получается достаточно крепким независимо от того, где его делали — в Москве или в Хабаровске. Важно, чтобы дело происходило в тёплое время года, а яблоки были из местных садов, а не импортными, которые даже черви не едят.

Из сказанного можно сделать ряд практических выводов:

— Для увеличения выхода спирта заготовку предназначенного для изготовления вина и водки винограда нужно проводить в то время, когда гроздья наберут наибольшую сахаристость, т.е. в средней полосе России со сбором урожая можно не спешить до конца сентября.

— Если брожение будет производиться на «диких» природных дрожжах, находящихся на самом винограде, то сбору урожая должны предшествовать несколько сухих и тёплых дней — дожди смывают дрожжевые грибки с поверхности ягод.

— Во избежание уксусного скисания, переработка винограда в мезгу — смесь раздробленных ягод винограда и гребней, должна начинаться в течение нескольких часов после сбора винограда. Следует избегать попадания в мезгу ягод, расклёванных птицами — мало ли чего есть в их слюне.

— Брожение сусла — отжатого виноградного сока с добавленными в него сахаром (для увеличения выхода спирта) и водой (для уменьшения кислотности, если сок забраживается на вино) должно производиться в анаэробных условиях, т.е. без доступа кислорода воздуха.

— Недопустимо использование при брожении алюминиевой тары, особенно когда сок забраживается для получения виноградного вина. Дело в том, что присутствующая в бродильной жидкости уксусная кислота взаимодействует с алюминием с образованием растворимых в воде уксуснокислых солей алюминия [5]. Ничего хорошего от их попадания внутрь организма не будет, т.к., например, уксуснокислый алюминий является часто применяемым антисептиком, а в промышленности он используется в качестве протравы для текстильных волокон.

Всё сказанное выше относилось к процессам брожения, протекающим при непосредственном участии дрожжей. Что же представляют собой дрожжи и подвергаемые ими брожению продукты?