Окислительными называются биохимические процессы, связанные с использованием кислорода воздуха. С этой точки зрения они сходны с дыханием, но отличаются от последнего тем, что при дыхании конечным продуктом будет углекислый газ и вода, тогда как при окислительных процессах получаются вещества, способные ещё окисляться далее, т. е. содержащие потенциальную химическую энергию.
Окислительные брожения более разнообразны, чем анаэробные, и менее изучены. В природных условиях окислительным процессам подвергаются не только все органические вещества, но и многие минеральные (сероводород, закись железа). Последовательно сменяющиеся аэробные микроорганизмы могут привести к полной минерализации органических веществ. Наибольшее практическое значение имеют следующие окислительные брожения: уксуснокислое, лимоннокислое, аэробное разложение клетчатки.
Уксуснокислое брожение
Уксуснокислым брожением (уксусным скисанием) называется процесс окисления этилового спирта в уксусную кислоту микроорганизмами. Этот процесс, как и спиртовое брожение, был известен людям с древних времён, однако его сущность была впервые установлена только Пастером в 1862 году при изучении плёнки, образовавшейся на скисшем вине. Как оказалось, эта плёнка состояла из трёх видов уксуснокислых бактерий: Bact. aceti, Bact. Pasteurianum и Bact. Kutzingianum.
В настоящее время известно около двадцати видов уксуснокислых бактерий. Все они являются аэробными неспорообразующими бактериями. Различаются они между собой размерами клеток, характером образуемой ими плёнки и количеством накапливаемой уксусной кислоты. Так, Bact. aceti накапливает до 6% уксусной кислоты, Bact. orleanense — до 9,5%, a Bact. Schiitzenbachii — до 11,5%. Наиболее благоприятная температура почти для всех уксуснокислых бактерий лежит в пределах 30° В природе уксуснокислые бактерии очень широко распространены. Они встречаются на поверхности плодов и ягод, в сахаристых жидкостях, в вине, пиве, молоке, в квашеных овощах и силосе.
Химизм уксуснокислого брожения
Окисление этилового спирта происходит в две стадии. Сначала этиловый спирт окисляется до уксусного альдегида, затем последний — до уксусной кислоты:
На уксуснокислом брожении основан процесс производства уксуса. В настоящее время распространены два способа технического производства уксуса — французский (орлеанский) и немецкий. По французскому способу сырьём для производства уксуса служит вино. Подкисленное уксусом вино разливают в бочки и оставляют в неполных бочках для большего контакта с воздухом. На поверхности вина образуется плёнка уксуснокислых бактерий, и вино постепенно превращается в уксус. По мере образования уксуса его постепенно сливают, а в бочку доливают свежее вино. В последнее время стали применять чистые культуры бактерий, чаще всего Bact. orleanense. Так получают пищевой уксус.
Для промышленного производства уксусной кислоты используют более быстрый, так называемый немецкий способ. Сырьём для этого способа служит разбавленный спирт, который пропускают через специальные деревянные сосуды с решётчатым дном, установленные один над другим и заполненные буковыми стружками, на поверхности которых развиваются уксуснокислые бактерии. В стенках сосудов имеются отверстия для продувания воздуха, необходимого для создания аэробных условий. Таким образом создаётся установка непрерывного действия, работающая много месяцев, до тех пор, пока культура уксуснокислых бактерий не загрязняется посторонними, вредными микроорганизмами. В верхнюю часть установки поступает спиртовый раствор, а из нижней отбирают готовый уксус, содержащий 10—12% уксусной кислоты. В качестве возбудителя здесь применяют культуру Bact. Schiitzenbachii.
К вредителям уксусного производства относятся дикие уксуснокислые бактерии Bact. xylinum, плёнчатые дрожжи Mycoderma aceti, а также уксуснокислый угорь, относящийся к червям. Переносчиком уксуснокислых бактерий, а также уксусных угрей является мушка Drosophilla.
Лимоннокислое брожение.
Лимоннокислым брожением называется процесс окисления сахара до лимонной кислоты плесневыми грибками. В настоящее время он является основным источником получения лимонной кислоты. В качестве возбудителя используется Aspergillus niger, который способен накапливать значительные количества лимонной кислоты, поскольку последняя — сравнительно слабая кислота. В качестве сырья могут быть использованы сахара — гексозы, а также крахмал, маннит. глицерин. Некоторые штаммы (разновидности) этого грибка способны образовывать лимонную кислоту из этилового спирта и солей уксусной кислоты.
Химизм лимоннокислого брожения довольно сложен и ещё недостаточно хорошо изучен. В. С. Буткевич и С. Вемер считают, что сахар окисляется в глюконовую кислоту, которая затем превращается в лимонную кислоту. Другие ученые считают, что процесс превращения сахара в лимонную кислоту идёт через образование сахарной кислоты, которая распадается на щавелево-уксусную и уксусную кислоты, а из них уже затем синтезируется лимонная кислота (Райстрик, Кларн).
Есть также мнение, что вначале превращения сахара идут, как и при спиртовом брожении — до образования пировиноградной кислоты или даже уксусного альдегида. Последний превращается затем в уксусную кислоту, а она через янтарную, фумаровую и яблочную кислоты превращается в лимонную кислоту. Примерно эти превращения протекают так:
Процесс превращения сахара в лимонную кислоту лежит в основе производства этой кислоты, которая раньше получалась в основном из недозрелых лимонов. Схемы этого производства были разработаны В. С. Буткевичем и С. П. Костычевым. В качестве субстрата используют 20%-ный раствор сахара. Процесс протекает в две стадии. В первой стадии выращивают из спор грибную плёнку. Для этого добавляют необходимые для питания грибка минеральные соли, в том числе 0,3%-ный азотнокислый аммоний. Температуру поддерживают в пределах 30—32° Через два дня, когда плёнка выращена, раствор сливают, плёнку промывают и под неё подводят чистый прокипяченный 20%-ный раствор сахара без минеральных солей.
Брожение проводят при высокой влажности воздуха в помещении и при хорошей аэрации сосудов. Через 3—4 дня брожение заканчивается, причём небольшое количество сахара остаётся несброженным. Выход лимонной кислоты составляет 60—65% от сброженного сахара. Лимонную кислоту необходимо своевременно удалять из-под плёнки, т. к. она не является конечным продуктом брожения и может быть далее окислена до щавелевой и уксусной кислот, углекислого газа и воды. Грибная плёнка может быть использована от 2 до 5 раз, после чего её надо заменять новой.
