Теория ферментации
В биохимии теория брожения относится к историческому изучению моделей естественных процессов брожения, особенно спиртового и молочнокислого брожения. Среди известных авторов этой теории Юстус фон Либих и Луи Пастер , последний из которых разработал чисто микробную основу процесса ферментации на основе своих экспериментов. Работа Пастера по ферментации позже привела к разработке им микробной теории болезней , которая положила конец концепции самопроизвольного зарождения. [ 1 ] Хотя процесс ферментации широко использовался на протяжении всей истории до появления преобладающих теорий Пастера, лежащие в его основе биологические и химические процессы не были полностью поняты. В настоящее время брожение используется при производстве различных алкогольных напитков, продуктов питания и медикаментов. [ 2 ] [ 3 ]
Обзор ферментации
[ редактировать ]
Брожение — это анаэробный метаболический процесс, который превращает сахар в кислоты, газы или спирты в условиях кислородного голодания. Дрожжи и многие другие микробы обычно используют ферментацию для осуществления анаэробного дыхания, необходимого для выживания. Даже в человеческом организме время от времени происходят процессы ферментации, например, во время бега на длинные дистанции; молочная кислота накапливается в мышцах в ходе длительных нагрузок. В организме человека молочная кислота является побочным продуктом ферментации, производящей АТФ , которая производит энергию, позволяющую организму продолжать тренироваться в ситуациях, когда потребление кислорода не может быть обработано достаточно быстро. Хотя ферментация дает меньше АТФ, чем аэробное дыхание, она может происходить с гораздо большей скоростью. Ферментация сознательно использовалась людьми примерно с 5000 г. до н. э., о чем свидетельствуют банки, обнаруженные в районе гор Ирана Загрос , содержащие остатки микробов, подобных тем, которые присутствуют в процессе виноделия.
История
[ редактировать ]До исследования Пастера о брожении существовало несколько предварительных конкурирующих представлений о нем. Одним из учёных, оказавших существенное влияние на теорию брожения, был Юстус фон Либих . Либих считал, что брожение — это в основном процесс разложения дрожжей вследствие воздействия воздуха и воды. [ 4 ] Эта теория была подтверждена наблюдением Либиха о том, что другие разлагающиеся вещества, такие как гнилые части растений и животных, взаимодействовали с сахаром так же, как дрожжи. То есть разложение белкового вещества (то есть водорастворимых белков) привело к превращению сахара в спирт. [ 4 ] [ 5 ] Либих придерживался этой точки зрения до своей смерти в 1873 году. [ 4 ] Иную теорию поддержали Шарль Каньяр де ла Тур и клеточный теоретик Теодор Шванн , которые утверждали, что алкогольное брожение зависит от биологических процессов, осуществляемых пивными дрожжами. [ 6 ] [ 5 ]
Интерес Луи Пастера к ферментации начался, когда во время своих биохимических исследований он заметил некоторые замечательные свойства амилового спирта — побочного продукта молочной кислоты и спиртового брожения. В частности, Пастер отмечал 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 «закона полуэдрической корреляции». [ 6 ] [ 7 ] Ранее Пастер пытался установить связи между химическим строением веществ и их внешней формой, и оптически активный амиловый спирт не оправдал его ожиданий по предложенному «закону». [ 6 ] Пастер искал причину, почему произошло это исключение и почему такое химическое соединение вообще образовывалось в процессе ферментации. [ 6 ] Позднее в 1860 году в серии лекций Пастер попытался связать оптическую активность и молекулярную асимметрию с органическим происхождением веществ, утверждая, что никакие химические процессы не способны превратить симметричные вещества (неорганические) в асимметричные (органические). [ 6 ] Таким образом, наблюдение за амиловым спиртом послужило одним из первых мотивов для биологического объяснения ферментации.
В 1856 году Пастер смог наблюдать под микроскопом микробы, ответственные за алкогольное брожение, будучи профессором естественных наук в Лилльском университете . [ 4 ] [ 6 ] Согласно легенде, берущей начало в биографии Пастера 1900 года, один из его студентов-химиков — владелец свекольного спиртового завода в Лилле — обратился к нему за помощью после неудачного года пивоварения. [ 6 ] Пастер проводил на фабрике эксперименты по наблюдению 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 под микроскопом частицы, образующиеся на виноградных лозах, и выявил наличие живых клеток. Если оставить эти клетки в виноградном соке, произойдет активное алкогольное брожение. Это наблюдение предоставило доказательства прекращения различия между «искусственным» брожением вина и «истинным» брожением дрожжевых продуктов. [ 4 ] Предыдущее неправильное различие частично объяснялось тем фактом, что дрожжи нужно было добавлять в пивное сусло, чтобы вызвать желаемое алкогольное брожение, в то время как катализаторы брожения вина происходили естественным путем на виноградных лозах; Брожение вина считалось «искусственным», поскольку оно не требовало дополнительного катализатора, но природный 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, происходящее при скисании молока. В эксперименте 1857 года Пастеру удалось выделить микроорганизмы, присутствующие в молочнокислой закваске после завершения химического процесса. [ 9 ] Затем Пастер культивировал микроорганизмы в культуре в своей лаборатории. Затем ему удалось 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 механизмом действия пивных дрожжей в отсутствие органического азота. [ 6 ] Добавляя чистые пивные дрожжи к раствору тростникового сахара, аммониевой соли и дрожжевой золы, Пастер смог наблюдать процесс алкогольного брожения со всеми его обычными побочными продуктами: глицерином , янтарной кислотой и небольшими количествами целлюлозы и жировых веществ. [ 6 ] Однако если какой-либо из ингредиентов удалить из раствора, брожения не произойдет. Для Пастера это было доказательством того, что дрожжам требуются азот, минералы и углерод из среды для своих метаболических процессов, выделяя угольную кислоту и этиловый спирт в качестве побочных продуктов. [ 5 ] [ 6 ] Это также опровергло теорию Либиха, поскольку в среде не было белкового вещества; разложение дрожжей не было движущей силой наблюдаемого брожения. [ 5 ] [ 6 ]
Пастер о самозарождении
[ редактировать ]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, могут спонтанно генерировать . Спонтанное зарождение исторически объяснялось по-разному. Аристотель, древнегреческий философ, предположил, что существа появились из определенных смесей земных элементов, таких как глина или грязь, смешанная с водой и солнечным светом. [ 10 ] Позже Феликс Пуше утверждал, что в остатках растений и животных существуют «пластические силы», способные спонтанно генерировать яйца, и из этих яиц рождаются новые организмы. [ 5 ] [ 6 ] Вдобавок ко всему, распространенным свидетельством, которое, казалось, подтверждало эту теорию, было появление личинок на сыром мясе после того, как оно было оставлено на открытом воздухе.
В 1860-х и 1870-х годах интерес Пастера к спонтанному зарождению побудил его критиковать теории Пуше и проводить собственные эксперименты. [ 6 ] В своем первом эксперименте он взял кипяченую подсахаренную дрожжевую воду и запечатал ее в герметичную штуковину. Подача горячего стерильного воздуха в смесь не изменила ее, а введение атмосферной пыли привело к появлению в смеси микробов и плесени. [ 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 сахарных дрожжей, но оставил ее в колбах с «лебединой шеей» вместо того, чтобы вносить какие-либо посторонние вещества. Некоторые колбы в качестве контрольной группы держали открытыми на открытом воздухе, и в течение дня или двух в них наблюдался рост плесени и микробов. Когда в колбах с лебединой шеей не удалось обнаружить тот же самый микробный рост, Пастер пришел к выводу, что структура горлышек блокирует попадание атмосферной пыли в раствор. [ 5 ] [ 6 ] На основании этих двух экспериментов Пастер пришел к выводу, что атмосферная пыль несет в себе микробы, ответственные за «спонтанное зарождение» в его бульонах. [ 6 ] Таким образом, работа Пастера предоставила доказательство того, что возникающий рост бактерий в питательных бульонах вызван биогенезом, а не какой-либо формой спонтанного зарождения.
Приложения
[ редактировать ]Сегодня процесс ферментации используется во многих повседневных целях, включая лекарства, напитки и продукты питания. В настоящее время такие компании, как Genencor International, используют производство ферментов, участвующих в ферментации, для получения дохода в размере более 400 миллионов долларов в год. [ 3 ] Многие лекарства, такие как антибиотики, производятся в процессе ферментации. Примером является важный препарат кортизон , который можно получить путем ферментации растительного стероида, известного как диосгенин .
Ферменты, используемые в реакции, предоставлены плесенью Rhizopus nigricans . [ нужна ссылка ] Как известно, алкоголь всех видов и марок также производят путем брожения и дистилляции . Самогон – классический пример того, как это осуществляется. Наконец, такие продукты, как йогурт, также производятся путем ферментации. Йогурт — кисломолочный продукт, содержащий характерные бактериальные культуры Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermopiles . [ 11 ]
См. также
[ редактировать ]- Клеточное дыхание
- Дистилляция
- Ферментация в пищевой промышленности
- Луи Пастер
- Спонтанное зарождение
- Зимотические заболевания (от греческого термина zumoun , означающего «брожение»)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пастер, Луи. «Физиологическая теория брожения» . Фордэмский университет . Проверено 13 марта 2014 г.
- ^ Фиахсон, реф. «Ферментация в теории и практике» . Викинг-гурман . Проверено 13 марта 2014 г.
- ^ Jump up to: а б Слончевски, Джоан (2009). Микробиология: развивающаяся наука, 2-е издание . Нью-Йорк: WW Нортон.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Конант, Джеймс Брайант; Нэш, Леонард К.; Роллер, Дуэйн; Роллер, Дуэйн HD: Гарвардские истории болезни в области экспериментальной науки. Том II . Кембридж, Массачусетс, ISBN 978-0-674-59871-3 . OCLC 979880864 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Бен-Менахем, Ари. (2009). Историческая энциклопедия естественных и математических наук . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-540-68832-7 . OCLC 318545341 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р Гейсон, Джеральд Л., 1943- (14 июля 2014 г.). Частная наука Луи Пастера . Принстон, Нью-Джерси. ISBN 978-1-4008-6408-9 . OCLC 889252696 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с д Дюбо, Рене Ж. (Рене Жюль), 1901–1982. (1998). Пастер и современная наука . Брок, Томас Д. Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 1-55581-144-2 . OCLC 39538952 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Тиндаль, Джон (1892). Очерки о летающих в воздухе веществах в связи с гниением и инфекцией . Нью-Йорк: Д. Эпплтон.
- ^ Jump up to: а б «Луи Пастер | Программа Лемельсона-MIT» . lemelson.mit.edu . Проверено 16 февраля 2020 г.
- ^ Леу, Дарин, 1968- (19 ноября 2017 г.). Существа, рожденные из грязи и слизи: чудо и сложность спонтанного зарождения . Балтимор. ISBN 978-1-4214-2382-1 . OCLC 1011094577 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ «Молочные факты» . Производство йогуртов . Проверено 30 марта 2014 г.