Спирттік ашу процесі
Спирттік ашу процесі. Ашытқы саңырауқұлақтардың көмегімен қантты заттарды; спиртке және кәмір қышқыл газына айналуын спирттік ашу процесі деп атайды. Ол мына темендегі реакцияға сай жүреді.
Мұндағы АДФ деп отырғанымыз аденозин дифосфорлы қышқыл, ал АТФ — аденозин три фосфор қышқылы. Бұл қосылыстар — энергияға бай химиялық заттар. Ашу процесі барысында осы заттардың көмегімен ашытқы саңырауқұлақтар энергия алып, бұл процесті әрі қарай жүргізіп отырады.
Негізінен спирттік ашу процесіне сахаромицет тобына жататын ашытқы саңырауқұлақтар қатынасады. Мұнда этил спирті мен көмір қышқыл газынан басқа да қосымша заттар түзіледі. Оларға: сірке альдегиді, глицерин, сірке және янтарь қышқылдары, сивуш майлары жатады. Сивуш майларының түзілуі ортадағы амин қыш-қылдарының ыдырауына байланысты. Амин қышқылдарынан пайда болған аммиакпен ашытқы саңырауқүлақтар қоректенеді де ортада сивуш майлары жинала береді. Ашытқы саңырауқүлақтар-мен катар, кейбір мукор тобына жататын зең саңырауқүлақтар мен бактерияларда спирттік ашу процесін жүргізеді. Алайда олардың әрекетіңен пайда болған спирт мөлшері, ашытқы саңырауқүлақтарды қолданғандағыға қарағанда, анағұрлым аз болады.
Ашытқы саңырауқүлақтар ашудың жағдайларына байланысты ортада әр түрлі заттар түзеді. Олардың ішінде басым көпшілігі этил спирті мен көмір қышқыл газы болады, кейде глицерин мен сірке қышқылы кездеседі. Ашытқы саңырауқүлақтар кез келген қанттарды ашытпай, тек моносахаридтер мен дисахаридтерді ғана ашытады. Полисахаридтерді, мәселен крахмалды, олар ашыта алмайды. Мүның себебі: ашытқы саңырауқүлақтарда амилаза ферменті болмайды. Сондықтан крахмалды өндірісте алдын ала түрлі ферменттер көмегімен моно және дисахаридтерге дейін ажы-ратып алады. Ал ашытқы саңырауқүлақтар клеткасында болатын мальтаза ферменті дисахарид мальтозаны глюкозаға айналдырады. Глюкозадан зимаза ферменттерінің көмегімен ашытқы саңырауқү-лақтар спирт пен көмір қышқыл газын түзеді. Бұл процесті мьша-дай схемамен көрсетуге болады.
Крахмал+ амилаза ферменттері ->мальтоза қанты мальтаза ферменті-^ глюкоза; глюкоза қанты + зимаза ферменттері -> этил спирті және көмір қышқыл газы.
Спирттік ашу процесінің табиғаты терең зерттелді. Бүған көп еңбек сіңірген және бірқатар жаңалықтар қосқан орыс оқымысты-лары Л. А. Иванов, С. П. Костычев, А. Н. Лебедев, А. Н. Бах, В. И. Палладин, В. А. Энгельгард, шетел ғалымдары Нейберг, Мейергоф, Гарден, Эмбденді атап өткен жөн. Осы ғалымдардың еңбектерінің арқасында спирттік ашу процесініқ ішкі сыры, басқаша айтқанда, химиясы төмендегіше болатыны анықталды.* Бұл процестің бірінші сатысында глюкоза қанты фосфор қышқылымен қосылып, глюкозофосфат эфиріне айналады. Бүл реакцияға ашыт-қы саңырауқұлақтар клеткаларында кездесетін АТФ қатынасады. Бүл қосылыс өзінен фосфор қышқылын бөліп қантқа береді, соның нәтижесінде АДФ-ға айналады. Осы жағдайда өтетін бірнеше ре-акциялардың нәтижесінде глюкоза фруктоза қантына айналады. Бұл реакциялар барысында глюкофосфатизомераза, фосфофрукто-киназа ферменттері қатысады. Пайда болған соңғы фруктоза моле-куласы құрамында — әуелі бір, соңынан екінші фосфор қышқылы қосылады.
Реакцияның осы сатысына дейін қант молекуласы бүзылмастан, тұтас күйінде, тек активті жағдайда болады. Бұдан кейін дифосфорлы фруктоза қанты альдолаза ферментінің көмегімен екіге бөлінеді.
Сөйтіп, фосфоглицериндік альдегид және фосфодиоксиацетон деген екі зат пайда болады. Бүдан кейін изомераза ферментінің әсерінен фосфодиоксиацетон әрдайым фосфоглицериндік альдегидке айналып отырады. Бұл төмендегіше жүреді:
Б.ұдан кейін 3-фосфоглицериндік альдегид триозофосфатдеги-дрогеназа (Н5 — ферменті) ферментінің қатысуымен минералдық фосфор қышқылымен реакцияға түседі. Осының нәтижесінде пайда болған өнімдер дегидрогеназа ферментінің әсерінен тотығып, яғни екі атом сутегін бөліп шығарып, төмендегі ретпен 1,3-дифосфоглицерин қышқылына айналады.
Бүдан әрі соңғы өнім дифосфорлық глицерин қышкылының бір фосфоры АДФ-ке көшіп, ол АТФ түріне айналады.* Дифосфорлық глицерин қышқылы бір фосфорын жоғалтып, нәтижесінде 3-фосфо-глицерин қышқылына айналады. Сонымен қатар фосфор қышқы-лының қалдығы орын ауыстырады, ол 3-ші көміртегі атомының жанынан көшіп, екінші қатардағы көміртегі атомына барып жалға-сады. Сөйтіп, 2-фосфоглицерин қышқылы фосфопируват-гидротаза ферментінің әсерінең, су молекуласын бөліп шығару арқылы, алғаш фосфоэнолпирожүзім қышқылына, соңында пирожүзім қышқылына
Пирожүзім қышқылының енольдык, түр» айналады. Бұны төмендегі формулалардан көруге болады:Бұл өнім, яғни пирожүзім қышқылының енольдық түрі — тұрақсыз, кәп ұзамай ол өз бетімен пирожүзім қышқылының түрақты түріне айналады.
Сөйтіп, спирттік ашу немесе анаэробтық тыныс алу процесінде жабайы қанттың бір молекуласынан пирожүзімнің екі молекуласы пайда болады. Осымен қатар басқа да аса қажетті аралық өнімдер және қуатқа бай АТФ молекуласы да түзіледі.
Реакцияның соңында пайда болған пирожүзім кышқылы, организмнің ерекшелігіне, клетканың жағдайына байланысты әр түрлі өзгеріске ұшырайды. Мысалы, ашытқы клеткаларында анаэробтық жағдайда пирожүзім қышқылы декарбоксилаза ферментінің әсерінен сірке альдегиді мен көмір қышқыл газына айналады.
Бұдан әрі сірке альдегиді алкагольдегидрогеназа ферментінің әсе-рінен (НАД—Н2) тотықсыздану реакциясы арқылы этил спиртіне айналады:
СН3|►СН3С=ОНАД—Н2|+НАД|алькагольдегидрогеназаСНг НИ этилспирті ұт қышқылы ашу немесе жануарлар бұлшық етінде жүретін гликолиз процесінде, оттегінің тапшылығынан, пирожүзім қышқы-лы лактатдегидрогеназа ферменті әсерінен екі атом сутегін қосып алып, төмендегі, реакция арқылы сүт қышқылына айналады.
сн3сн3 С-0 +НАД = Н2> СНӨН+НАДI(Лактатдеидрогеназы)1соонсоон
пирожүзім сүт қышқылықышқылы.
Аэробтық, яғни оттегі мол болғанда пирожүзім қышқылы, тыныс алу процесінде түгелдей тотығып, су және көмір қышқыл газына айналады:
СНзСОСООН+5О-^ЗСО2 + 2Н2О
Спирттік ашу процесінің тұрмыста үлкен маңызы бар, ейткені оның нәтижесінде тамақ өндірісі, адамға керекті әр түрлі арақшарап ішімдіктері даярланады. Жүзім шырынынан — шарап, коньяк жасалады, қамыс қантынан — ром, арақ; крахмалға бай дәндерден (арпа, жүгері, бидай) —сыра, квас, виски, аракі; күріш пен тарыдан — сака деген шарап, боза, кәже және тағы басқаларды даярлайды.
Ашу процесі дүрыс жүру үшін, көптеген жағдайлар — қант концентрациясы, орта қышқылдығы (рН), температура және жиналған спирт мөлшері керек. Ашытуға алынған қанттың концентрациясы 15%-тей болу керек. Қант мөлшері бүдан артық болса, ашытқы саңырауқүлақтардың тіршілік ету қабілеті темендейді. Кейде ортадағы қант 60% болғанда да ашыта алатын ашытқы саңырауқүлақтары болады. Ашу процесі орта қышқылдығы (рН) 4,0 немесе 4,5-ке тең болғанда қалыпты жүреді.
Ашу процесі барысында ортада жиналған спирт аса көп болса, ашытқы саңырауқүлақтарына қолайсыз әсер етеді. Орта көлемінің 15%-дей мөлшерінде спирт жиналғанда ашу процесі тоқталады. Бірақ соңғы жылдардағы зерттеулерге қарағанда ортадағы спирттің концентрациясы 20—25%-тей болғанда да тіршілік ететін ашытқы саңырауқүлақтардың бар екені анықталды.
Орта реакциясы сілтілі болғанда спирт орнына ортада глицерин мен сірке қышқылы түзіледі.
Ашудын, ең қолайлы температурасы +28—32°. Температура + 50°-қа дейін жоғарылағанда ашу тоқталады. Ал төменгі температурада ашу процесінің қарқыны баяулайды, бірақ мүлде тоқтап калмайды.
Спирттік ашу процесі әдетте анаэробты жағдайда жақсы жүреді. Сонымен қатар ауаны жеткілікті мөлшерде жібергенде ашытқы саңырауқұлақтардың саны тез өсетіні белгілі. Сондықтан нан ашытқы саңырауқұлақтарды өсіргеыде ыдысқа дамылсыз ауа енгізіп отырады.
Осыған байланысты беттік және түптік ашу деп бөлінеді. Беттік ашу процесі +14—24°-та жақсы жүреді. Мұнда ортадан көп мөл-шерде газ бөлінеді. Беттік ашу көбінесе шарап жасауда және нан өндірісінде қолданылады. Ашу процесі толық аяқталғаннан кейін ашытқы саңырауқұлақтар сүйық түбіне түнып қалады.
Түптік ашу төменірек температурада ( + 5—10°) жүреді және оның қарқыны да баяулайды, ашытқы саңырауқүлақтар сүйықтың түбінде көбейіп тұнып қалып, көмір қышқыл газы сыртқа бөлініп отырады. Түптік ашу процесі сыра кайнатуда кең қолданылады.
Жалпы спирттік ашу процесінің шарап, сыра, түрлі сүт тағамдарын жасауда зор маңызы бар. Қазіргі кезде ол глицерин өндіруде кеңінен қолданылып отыр. Ол үшін ішінде ашытқы саңырауқұлақтары бар қоректік ортаға күкірт қышқылының түздарын қосса, олар сірке альдегидіміен реакцияға түсіп, соның нәтижесінде таза глицерин пайда болады. Бүл тәсілдің техникалық маңызы бар.
Спирт өндірудегі басты шарт — ортадағы қанттарды ашытқы саңырауқүлақтардың толық пайдалануын қамтамасыз ету. Содан кейін спиртті айдау арқылы тазарту керек.
Спиртті өндіру үшін шикі зат ретінде астық тұкымдастардың дәндері, картоп, сірне, сульфат сақары, сүрек қанты тағы басқалар колданылады. Қолданылатын шикі заттар түрлі болғандықтан спирт өндіру технологиясы да соған сәйкес 9йымдастырылады. Қазір біздің өнеркәсібіміздің алдында спирт өндіру үшін жұмсалатын тамақтық заттардың орнына мұнай қүрамынан алынатын химиялық өнімдерді және түрлі табиғи газдарды пайдалану мәсе-лесі түр. Бұл тағамдық маңызы бар көптеген өнімдерді үнемдеуге себепші болады. Сыра қайнатқандағы сияқты, спирт өндіруде де алдымен крахмалды жай қантқа ажыратып алу керек. Бүл үшін солод, яғни алдын ала жылы жерде өсірілген арпа дәндері алынады. Солодта крахмалды жай қантқа оңай ажырататын амилаза ферменті бар. Қазіргі кезде солодтың орнына қүрамында амилаза ферменті бар микроскоптық саңырауқүлақтар қолданылып жүр. Жалпы қолданылатын солод мөлшері қантқа ажыратылатын шикі заттың мөлшеріне шаққанда 5—10% шамасында болғаны жөн. Бүл процесс 4-60° температурада жақсы жүреді. Осындай қанты мол (25—30%) сүйықты затор деп атайды. Оған ашытқы саңы-рауқүлақтардың күшті топтарын қолданады. Ал егер спирт өндіру үшін сірне алынса, оны қүрамындағы қанттың концентрациясы 15—16%-ке жеткенге дейін сүйылтады. Ащытқы саңырауқүлақтар-дың өсіп дамуын жақсарту үшін оғанДздаған мөлшерде фосфор қышқыл аммониды не^су^рфосфатты/крсады, бүдан 8—10% спирт алынады.ІМ. һАғаш сүрегін лигненнен ажырату барысыңда алынған сульфит сақары спирт өндіруге де пайдаланылады. Оның қүрамында 1— 5%-ке дейін қаңт болады. Әдетте сульфит сақарыньщ реакциясы сілтілі болып келеді. Ашытқы саңырауқүлақтарды өсіру үшін оған қышқыл қүйып нейтралдайды да суперфосфат немесе аммоний сульфатын ‘қосады. Спирт өндіруде оңай өніп-өсетін беттік ашытқы саңырауқүлақтарды қолданады. Қазір ашу процесі жүретін барлық өндірістерде микроорганизмдер «таза» күйінде, яғни басқа микро организмдердің қоспасынсыз қолданылады. Бүл өндірістің өнімділігін арттырады.
Шарап өндіру ертеде үзақ жылдар бойына кездейсоқ ашытқы саңырауқүлақтардың көмегімен жүргізіліп келді. Кейіннен «таза» ашыткы саңырауқүлақтарды қолданудың нәтижесінде шарап өнімдерінің сапасы жақсарды. Сыра қайнатуда да «таза» ашытқы саңырауқұлақтар алынады. Сонымен қатар нан ашытуда да тез өсіпдамитын қуатты ашытқы саңырауқұлақтарды қолданады. Олар-дың тіршілік әрекеті нәтижесінде түзілетін газ пісірілетін нанды кеуектеп кетеді. Сонымен қатар спирт, шарап, сыра өндірістерінде орасан зор зиянын тигізетін микроорганизмдер де бар. Өндірістерде қолданылатын технологиялық ережелер бүл микроорганизмдер тіршілігін жоюға бағытталған негізгі шаралар болып табылады.
