Молочная кислота находит широкое применение в производстве кож, красильном деле, при выработке стиральных порошков, изготовлении пластмасс, в фармацевтической промышленности и во многих других отраслях. Молочная кислота также нужна в кондитерской промышленности и для приготовления безалкогольных напитков.
Маслянокислое брожение. Превращение углеводов с образованием масляной кислоты было известно давно. Природа маслянокислого брожения как результат жизнедеятельности микроорганизмов была установлена Луи Пастером в 60-х годах прошлого века.
Возбудителями брожения являются маслянокислые бактерии, получающие энергию для жизнедеятельности путем сбраживания углеводов. Они могут сбраживать разнообразные вещества - углеводы, спирты и кислоты, способны разлагать и сбраживать даже высокомолекулярные углеводы - крахмал, гликоген, декстрины.
Маслянокислое брожение в общем виде описывается уравнением:
C6H12O6 - > CH3·CH2·COOH + 2CO2 + 2H2 глюкоза - > масляная кислота
СвН12О6 - > 2CH8-CHOH-COOH+21,8-104 дж
При этом брожении накапливаются различные побочные продукты. Наряду с масляной кислотой, углекислым газом и водородом образуются этиловый спирт, молочная и уксусная кислоты.
Некоторые маслянокислые бактерии, кроме того, образуют ацетон, бутанол и изопропиловый спирт.
Брожение начинается с процесса фосфорилирования глюкозы и далее идет по гликолитическому пути до стадии образования пировиноградной кислоты. Затем образуется уксусная кислота, которая активируется ферментом. После чего при конденсации (соединении) из двууглеродного соединения получается четырехуглеродная масляная кислота. Таким образом, при маслянокислом брожении происходит не только разложение веществ, но и синтез.
По данным В.Н. Шапошникова, в маслянокислом брожении различаются две фазы. В первой параллельно с увеличением биомассы накапливается уксусная кислота, а масляная кислота образуется преимущественно во второй фазе, когда синтез веществ тела замедляется.
Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокислых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества.
Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое и маслянокислое брожения являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют собой комбинацию этих трех типов. Так, например, пропионовокислое брожение, играющее важную роль при производстве сыров и сопровождающееся накоплением пропионовой и уксусной кислот и углекислого газа, может рассматриваться как комбинация гомоферментативного молочнокислого и спиртового брожений. Брожения клетчатки и пектиновых веществ являются разновидностями маслянокислого брожения.
Итак, три основных типа брожения органически связаны между собой - начальные пути разложения углеводов у них одинаковы.
Процессы дыхания и брожения являются основными источниками энергии, необходимой микроорганизмам для нормальной жизнедеятельности, осуществления процессов синтеза важнейших органических соединений.
Основная польза от брожения - это превращение, например, сока в вино, зерна в пиво, а углеводов в двуокись углерода при брожении хлебного теста.
По Штейнкраузу (Steinkraus; 1995), брожение пищи выполняет пять главных задач:
Обогащение видов пищи разнообразием вкусов, ароматов и текстуры
Сохранение существенного количества пищи с помощью молочной кислоты, алкоголя, уксусной кислоты и щелочного брожения
Биологическое обогащение пищи протеинами, важными аминокислотами, важными жирными кислотами и витаминами
Уменьшение времени и затрат на приготовление пищи.
У брожения есть несколько преимуществ, исключительных для пищи. В процессе брожения можно получать важные питательные вещества или устранять непитательные. С помощью брожения пищу можно дольше сохранять, поскольку брожение использует энергию пищи и может создать условия, неподходящие для нежелательных микроорганизмов. Например, при мариновании кислота, получаемая из доминирующей бактерии, препятствует росту всех других микроорганизмов.
Известно, сколь разнообразны продукты, образующиеся при так называемом молочнокислом брожении. Молочная кислота, слизь, маннит, масляная кислота, спирт, углекислота и водород появляются либо одновременно, либо последовательно, и притом в количествах, крайне различных и совершенно произвольных. Растение-фермент, превращающее сахар в молочную кислоту, отлично от того или тех (так как их имеется два), которые вызывают образование слизистого вещества; последние, в свою очередь, не порождают молочной кислоты. С другой стороны, что эти различные растения-ферменты, если они действительно чистые, не могут ни при каких обстоятельствах вызвать появление масляной кислоты. Следовательно, должен существовать особый маслянокислый фермент (возбудитель маслянокислого брожения). Сообщение, которое представлено сегодня Академии, касается как раз происхождения масляной кислоты при так называемом молочнокислом брожении.
Инфузории живущие без свободного кислорода и вызывающие брожение.
Маслянокислым ферментом является инфузория. Они питаются тем растительным ферментом, который, согласно предположениям, являлся возбудителем маслянокислого брожения и который пытался найти в употребляемых жидких средах. Но не удавалось уловить причину появления масляной кислоты, вытекавшим из исследований совпадением между появлением масляной кислоты и инфузориями и, наоборот, между инфузориями и появлением масляной кислоты. До сих пор это совпадение приписывалось подходящим условиям, которые представляет наличие масляной кислоты для жизни этих маленьких животных.
Многократные опыты убедили в том, что превращение сахара, маннита и молочной кислоты в масляную кислоту обязано исключительно деятельности этих инфузорий и что их-то и надо признать истинными возбудителями маслянокислого брожения.
Вот их описание. Это маленькие цилиндрические обычно прямые палочки с закругленными концами; они встречаются одиночными или соединенными в цепочки из двух, трех, четырех и иногда даже больше члеников. Толщина их равна в среднем 0,002 мм. Длина отдельных члеников варьирует от 0,002 до 0,015 и 0,02 мм. Эти инфузории перемещаются скользящими движениями. Во время такого движения тело их остается прямым или слегка волнообразно изгибается. Они вертятся, покачиваясь, или вызывают быстрое дрожание переднего или заднего конца своего тела. Если длина палочек достигает 0,015 мм, то волнообразность их движений становится очень заметной. Часто они бывают изогнуты на одном конце, иногда же на обоих. Но эта их особенность редко встречается в начале их жизни.
Они размножаются делением. Именно благодаря такому способу размножения некоторые из них принимают вид цепочки. Тог членик, который тянет за собой остальные, производит иногда быстрые движения, как бы пытаясь освободиться от последующих.
Хотя тела этих вибрионов имеют цилиндрическую форму, но часто кажется, что они состоят из ряда зерен или очень коротких, едва намечающихся члеников. Это, без сомнения, первые рудиментарные органы этих маленьких животных.
Эти инфузории можно засевать так же, как засевают пивные дрожжи. Они размножаются, если среда пригодна для их питания. И, что особенно важно отметить, их можно засевать в жидкости, содержащие только сахар, аммиак и фосфаты, т.е. кристаллические и, так сказать, минеральные вещества. В этих жидкостях они размножаются, вызывая в них явно выраженное маслянокислое брожение. Вес образовавшихся организмов значителен, но, по сравнению с общим количеством образовавшейся масляной кислоты, он ничтожен, как это обычно и бывает со всеми ферментами.
Существование инфузорий, обладающих свойством ферментов (возбудителей брожения), является уже само по себе фактом, весьма достойным внимания. Но к нему присоединяется еще то странное явление, что эти маленькие животные, эти инфузории живут и бесконечно размножаются без того, чтобы явилась необходимость доставлять им хотя бы маленькие количества воздуха или свободного кислорода.
Эти инфузории не только живут без воздуха, но воздух их убивает. Если пропускать некоторое время через жидкость, где они размножаются, ток чистой углекислоты, то это совершенно не отражается на их жизнедеятельности и размножении. Если же при совершенно таких же условиях заменить на один или два часа ток углекислоты током атмосферного воздуха, то все организмы погибают и маслянокислое брожение, связанное с их существованием, тотчас же останавливается. Мы приходим, следовательно, к двум положениям.
1. Маслянокислым ферментом (возбудителем маслянокислого брожения) являются инфузории.
2. Эти инфузории живут без свободного кислорода. Это первый известный пример фермента животного происхождения, а также и животного, живущего без свободного кислорода.
Сам собой напрашивается вывод о близости образа жизни и свойств этих маленьких животных с образом жизни растительных ферментов в отношении их способности жить без воздуха, а также вытекающих из этого следствий, уясняющих причины брожения. Однако я оставляю за собой право вернуться к идеям, которые вызываются этими новыми фактами, после того как мне удастся осветить их опытом.