Брожение

Брожение, или ферментация, представляет собой один из наиболее знакомых всем химических процессов, особенно брожение жидкостей, содержащих сахар. Брожение  есть распад органических безазотистых веществ на более простые тела, сопровождающийся освобождением тепла (экзотермическая реакция) и образованием газов (СO₂), которые, выделяясь, придают жидкости вид кипящей, откуда и название ферментация (от латинского fervere - кипеть). Выделение газов, впрочем, не является обязательным, и в настоящее время мы знаем типичные брожения, протекающие без него; пример - молочнокислое брожение.

Человечество издавна пользовалось процессами брожения для своих практических нужд; наибольшим распространением и известностью в этом отношении пользуются процессы алкогольного брожения, получение опьяняющих напитков, открытие которых, как бы в знак признательности, обычно связывалось с именами богов, святых и т. п. (предания о Бахусе, об Озирисе, о Ное и т. д.). Но вековое практическое знакомство с брожениями до самого последнего времени шло рука об руку с полным неведением относительно сущности и причин этого процесса, хотя теоретический интерес к нему возник уже давно; уже алхимики много занимались этим вопросом, связывая его со столь их интересовавшим учением о превращениях вообще, а Парацельс (1493-1541) сверх того обратил внимание и на возможную связь между явлениями брожения и болезнями. Идея эта была затем развита Ван-Гельмонтом и особенно знаменитым Робертом Бойлем, который определенно высказался в том смысле, что тот, кто поймет природу ферментов и ферментаций, в состоянии будет также отдать себе отчет и в явлениях болезней лихорадочных и других. После этого, целый ряд ученых, писавших о брожении, как например, Сталь и др., не внесли ничего существенного в разработку вопроса до Блэка (1728-1799), который выделил и определил газообразный продукт брожения - углекислоту. Окончательно на твердую почву становится Лавуазье: взвесивши флакон с водой, к которой было прибавлено определенное количество сахара и немного дрожжей, и, измеривши затем потерю веса флакона, количество выделенной СO₂, количество алкоголя, отделенного путем возгонки, и т. д., он установил количественные отношения, наблюдаемые при брожении и показал, что сахар распадается на углекислоту и алкоголь. Исследования Лавуазье были потом расширены и дополнены Гей-Люссаком, Тенаром и Соссюром; химическая сторона процесса была более или менее выяснена, но причина его и внутренний механизм оставались темными. Каньяр-Латур и Шванн указали затем на организованную живую природу дрожжей, находящихся в бродящих жидкостях, т. е. тех микроскопических образований, которые впервые были замечены еще Левенгуком (1689), но это еще не выяснило вопроса, и Либих, например, считал, что дрожжи, представляя собой органическое вещество в состоянии произвольного разложения сообщают способным бродить телам, частицы которых слабо связаны между собой, свои колебания и тем вызывают их распад (механическая теория). И только гений Пастера разрешил вопрос о природе брожения, а вместе с тем, согласно вышеприведенному предсказанию Бойля, и о природе заразных заболеваний. Пастер показал, что брожения (спиртовое, уксусное, молочное, масляное) представляют собой результат жизнедеятельности низших микроорганизмов при условии жизни последних. В отсутствии свободного кислорода («la fermentation est la consequence de la vie sans air»), причем для каждого вида брожения существует свой определенный возбудитель, деятельность которого носит, таким образом, строго специфический характер. Торжество Пастеровских идей и громадное развитие созданной им новой науки микробиологии (см. бактерии) слишком хорошо известны, чтобы на них настаивать. В дальнейшем, эта область была широко разработана целым рядом ученых, среди которых особенно следует отметить Э. Хр. Ганзена, но честь важнейшего, с принципиальной точки зрения, открытия после Пастера принадлежит Э. Бухнеру, который обосновал (1897) теперь общепринятую энзимную теорию брожений, показавши, что бродильное начало может быть отделено от живых дрожжевых клеток. Растирая дрожжевые клетки с кварцевым песком (для разрушения клеточных оболочек) и подвергая затем полученную массу очень высокому давлению, до 500 атмосфер, в особом приборе, т. н. Бухнеровском прессе, он получил сок, способный приводить сахарный раствор в брожение; предварительное умерщвление дрожжей, например, прибавкой ацетона, не уничтожает бродильных способностей экстракта. Бродило, заключающееся в дрожжах, Бухнер назвал зимазой (алкоголазой).

Впоследствии аналогичным образом были получены и другие энзимы. Согласно энзимной теории, всякое брожение вызывается специфическим энзимом, который может быть выделен из клетки и в таком свободном виде обладает тем же химическим действием. Специфичность энзимов, способность их действовать только на определенные вещества, даже часто лишь на определенные изомеры, надо объяснить, согласно с Фишером, тем, что энзимы действуют лишь при условии совпадения молекулярной конфигурации энзимов (они, как известно, оптически асимметричны) с таковой же данного вещества, - совпадения, которое легче всего себе представить при помощи сравнения с ключом и замком: ключ отворяет лишь тот замок, к которому он подходит. Эта специфичность отличает реакции энзимные от обычных химических реакций, при которых один и тот же реактив оказывается способным изменять в определенном направлении (окислять, восстанавливать и т. д.) самые разнородные вещества. Другое существенное отличие заключается в чрезвычайной чувствительности энзимов к всякого рода внешним воздействиям (например, большинство из них уничтожается кратковременным нагреванием до 60°), в т. н. лабильности их. Брожение наблюдается и внутри высших организмов, определенные клетки которых заключают энзимы, напоминающие микробные, причем освобождающаяся при брожении энергия может, так или иначе, служить для жизненного процесса (см. дыхание растений).

Спиртовое брожение сахара есть разложение различных видов глюкозы под влиянием микроорганизмов, главным образом, дрожжевых грибков (Saccharomycetes: s. cerevisiae, s. ellipsoides и др.). Продуктами этого разложения являются спирт и углекислота, согласно формуле С₆Н₁₂O₆ (глюкоза) = 2С₂Н₅ОН (этиловый спирт) + 2СO₂; кроме того, в качестве побочных продуктов получаются еще небольшие количества глицерина и янтарной кислоты, спирты пропиловый и амиловый (сивушное масло), следы уксусной кислоты и т. д. В технике пользуются по преимуществу дрожжевыми грибками, из которых и была получена Бухнером зимаза или алкоголаза, так как они дают наибольший выход спирта. Но и другие грибки, например, плесневые (Mucor в т. н. китайских дрожжах; Aspergillus в т. н. така-диастазе), и бактерии, как например, пневмобациллы Фридлендера и др., тоже способны вызвать брожение с образованием небольшого количества этилового алкоголя.

Изучение различных видов дрожжевых грибков, в особенности Э. X. Ганзеном, показало, что вместе с расами микроорганизмов изменяются и качества продуктов (пива, вина и т. д.), их вкус, букет. Сообразно с тем, в последнее время и введено во многих случаях в практику пользование чистыми культурами определенных видов дрожжей, поведшее к усовершенствованию и улучшению производства. Смотря по ходу брожения, различают дрожжи верхнего брожения, которое идет при сравнительно высокой температуре (14°-18°) с обильным образованием газа и пены, и дрожжи нижнего брожения, совершающаяся при более низкой температуре (4°-8°), более спокойно, так что дрожжи не выносятся наверх, как в первом случае, а остаются на дне. Дрожжи, дающие мало спирта и образующие нежелательные побочные продукты, называются дикими, в противоположность вышеупомянутым культурным. Для правильного хода процесса брожения необходим целый ряд условий, и прежде всего раствор глюкозы не должен быть слишком концентрированным, никак не выше 30%; поэтому-то фрукты и ягоды, сохраняемые в густом сиропе (варенья и т. п.), обычно не бродят. Обильное накопление продуктов брожения тоже неблагоприятно, и, если содержание спирта в бродящей жидкости достигло 15%, брожение останавливается. Отсюда следует, что вина с содержанием алкоголя выше 15% нельзя признать натуральными - они неизбежно заключают некоторое количество прибавленного спирта.   Далее, существенное значение имеют реакция и особенно температура: ниже 0° и выше 56° брожение совершенно не происходит. Последняя температура убивает дрожжи и разрушает зимазу.

Бактериями обусловливается целый ряд видов брожения. Уксуснокислое, состоящее в окислении этилового спирта в уксусную кислоту, переходя через стадию уксусного альдегида: а) С₂Н₆O+О=С₂Н₄O (альдегид) + Н₂O и б) С₂Н₄O+O=С₂Н₄О₂ (уксусная кислота). Возбудителем его является описанная Пастером Mycoderma aceti, очень распространенная в природе; ее можно найти в пыли, на поверхности зрелых плодов и ягод и т. д. Ганзен показал, что существует целый ряд уксуснокислых бактерий: bact. pasteurianum, b. aceti и т. д. Действуют эти микроорганизмы, всего вероятнее, при посредстве особого окислительного фермента - ацетозы. Условия уксуснокислого брожения заключаются в том, 1) чтобы содержание спирта в бродящей жидкости было ограничено, не больше 14%, 2) чтобы температура была не ниже 10° и не больше 35° и 3) чтобы жидкость заключала небольшие количества азотистых веществ и солей, необходимых для развития микробов, вызывающих брожение. Уксусное брожение отличается от других видов брожения тем, что при нем мы имеем дело с простым окислением спирта, простым присоединением частицы кислорода (а не с глубоким распадом), и что подобное же окисление спирта может быть получено и другими путями, без участия микробов, например, при помощи губчатой платины. Для брожения этого необходим свободный доступ кислорода.

Из технических приемов уксусного производства известны т. н. французский (орлеанский) и германский способы. При первом вино, зараженное уксусными бактериями, разливается в плоские сосуды и оставляется при 18°-22°, причем по мере образования уксус сливается и заменяется новым количеством вина; при германском разбавленный спирт (а не вино) пропускается медленной струей через бочки с древесными опилками, служащими для увеличения поверхности окисления, деятелем которого является обычно bact. aceti. Способ этот быстрее, но продукт по вкусу и аромату значительно ниже французского. Образованием уксусной кислоты деятельность микробов еще не заканчивается, и уксусная кислота окисляется дальше в углекислоту и воду. Чтобы избежать этого нежелательного превращения, необходимо своевременно удалять образовавшийся уксус и прибавлять новые порции спирта, в присутствии которого уксусная кислота не подвергается дальнейшему окислению.

Кроме спирта, из сахара могут образовываться и кислоты - щавелевая, лимонная, молочная и масляная, первые две - по типу окислительных брожений, т. е. уксуснокислого, вторые - анаэробно. Щавелевокислое брожение, по формуле С₆Н₁₂O₆+O₉=3С₂Н₂O₄ (щавелевая кислота) + 3Н₂O, вызывается плесенями, особенно т. н. Aspergillus niger. Лимоннокислое (С₆Н₁₂O₆+O₃=С₆Н₈O₇ (лимонная кислота) + 2Н₂O) - плесенями из родов Penicillium и Mucor особенно т. н. citromyces. При этом названные кислоты являются лишь промежуточными продуктами, и при условиях энергичного окисления, например, при высоких температурах, они сжигаются до конца, т. е. до углекислоты и воды. Молочнокислое брожение, материалом для которого могут служить глюкоза, левулеза и др. ди- и полисахариды, как тростник, сахар, после предварительного превращения в гексозы (сахара с 6 атомами углерода), многоатомные спирты (дульцит, маннит, глицерин), многоатомные кислоты и даже белки, самопроизвольно наблюдается в молоке, а также при приготовлении хлеба, при производстве крахмала и свекловичного сахара. Изучено оно было впервые Пастером (1857), а затем культуры молочнокислых микробов, b. acidi lactici, были выделены Листером и Гюппе. Простейшая формула его С₆Н₁₂O₆=2С₃Н₆O₃ (молочная кислота), причем по своему строению молочная кислота брожения есть этилиден-молочная. Кроме типичных молочнокислых бактерий, брожения этого типа могут вызываться и целым рядом других микробов: кишечной палочкой, гноеродными кокками, bac. prodigiosus и т. д. Большой интерес приобрела в последнее время т. н. болгарская палочка, выделенная из болгарского кислого молока «ягурта». Она дает значительно больше молочной кислоты, нежели другие родственные ей микробы, и, кроме того, обладание способностью хорошо развиваться и длительно жить в кишечнике и отчасти вытесняет оттуда различные гнилостные бактерии (Мечников). Поэтому-то болгарское кислое молоко или препарат из культур болгарской палочки, т. н. лактобациллин, и приобрели в последнее время широкое распространение. Аналогичная палочка выделена из египетского «лебена».

Помимо скисания молока, нам приходится встречаться с молочнокислым брожением и в ряде других природных и искусственных процессов, каковы получение кислого теста, кислой капусты и огурцов, напитков, как кефир и кумыс, при созревании сыра и т. д.

Изучение биологии возбудителей молочнокислого брожения позволяет внести во все эти производства ряд существенных усовершенствований и улучшений путем применения чистых культур, т. е. тем же способом, который дал столь блестящие результаты в применении к различным видам алкогольного брожения.

Маслянокислое брожение сахара (а также вообще углеводов и высших спиртов) происходит по формуле С₆Н₁₂O₆ =С₄Н₈O₂ (масляная кислота) + 2СO₂+2Н₂ при условии отсутствия свободного кислорода, всего энергичнее при 35°, причем обычно оно сопровождается образованием ряда побочных продуктов, кислот уксусной, молочной, пропионовой, бутилового спирта и т. д. Подвергаться ему могут крахмал, декстрин, инулин, гексозы и высшие сахара после предварительного превращения. Самопроизвольно оно может наблюдаться всюду, где безазотистые вещества разлагаются в отсутствии воздуха. Его анаэробные возбудители, bac. butyricus, группа granulobacter (Бейеринк), putrificus и т. д. встречаются в молоке, в сыре, в кислой капусте, в загрязненной почве, в навозе и т. д. Некоторые из бактерий молочнокислого брожения обладают ясно выраженными болезнетворными свойствами, как палочка ботулизма, злокачественного отека, шумящей гангрены и т. д.

Слизевое брожение самопроизвольно происходит иногда в сахаристых жидкостях, в сахарном сиропе и свекловичном соке, в белом виноградном вине, пиве, молоке, в соке моркови и т. д., причем подвергшаяся этому брожению жидкость превращается в густую, тянущуюся, вязкую массу. Химизм процесса заключается в образовании из сахара более сложного углевода, декстрина или вискозы (С₆Н₁₀O₅)ⁿ. Из возбудителей его особенный интерес представляет т. н. клёковая бактерия или leuconostoc mesenteroides, особый вид стрептококка с большими студенистыми капсулами, развивающийся иногда при сахарном производстве в свекловичном соку и приносящий большой ущерб делу быстрым превращением сахарного раствора в слизевую массу. Кроме него, следует отметить т. н. micrococcus viscosus, производящий брожение вина и описанный еще Пастером, и bac. mesentericus vulgatus, вызывающий слизевое брожение картофеля, хлеба, молока и т. д.

Брожение  пектиновых веществ наблюдается при общеизвестных процессах мацерации волокнистых растений с целью получения прядильного материала, при мочке конопли, льна и т. д. При этом происходит разрушение паренхимной ткани, пропитанной пектиновыми веществами, и освобождение лубяных пучков. Возбудителями этого брожения являются микробы, принадлежащие к группе масляно-кислых, а именно granulobacter pectinovorum и др. В более слабой степени к этому способны также bac. subtilis, mesentericus и т. д. Продуктами этого брожения являются масляная и уксусная кислоты и газы, как водород и углекислота. Ход и характер процесса может изменяться в зависимости от примеси тех или иных посторонних микробов, которые могут вредить делу и обусловливать порчу материала; избежать этого можно применением чистых культур, что, однако, на практике трудно осуществимо.

Брожение  клетчатки наблюдается главным образом на умерших растениях, в почве, в иле, а также внутри животного организма, в кишечном канале травоядных, и затем, конечно, в навозе. Продуктами брожения являются углекислота, болотный газ, а затем небольшие количества кислот уксусной, изобутировой, сероводорода и т. д. Омелянский показал, что можно получить различные типы брожения клетчатки, одно с образованием болотного газа, метановое, вызываемое bac. cellulosae methanico, и другое с образованием водорода, водородное, вызываемое bac. cel. hydrogenico.

Кроме того, брожение может обусловливаться и аэробными микробами, бактериями и плесневыми грибками.  Процесс этот, ведущий к разрушению погибших растений, играет существенную роль в экономии органической природы, при т. н. гумификации органических остатков, ведущей к накоплению гумуса, при карбонизации, ведущей к накоплению отложений торфа, каменного угля и т. д. В этом последнем случае вероятной формулой процесса является уравнение 2С₆Н₁₀О₅=2С+5СO₂+5СН₄. Наконец, с этим же процессом приходится сталкиваться и при биологической очистке сточных вод в гнилостных бассейнах (septic-tank).

Сверх перечисленных видов брожения, известен и ряд других, как-то брожение жирных кислот, некоторых многоатомных спиртов и т. д. Наконец, большое значение имеют процессы брожения азотистых белковых тел; см. гниение.

Литература. В. Омелянский, «Основы микробиологии» (1909); Палладин, «Работа ферментов в живых и убитых растениях» (речь на XII съезде естествоиспытателей: Дневник съезда № 4); Грин, «Растворимые ферменты и брожение» (перевод с предисловием К. Тимирязева, 1905), с обширным указателем литературы по конец XIX века; Лафар, «Бактерии и грибки» (1904); Ньюман, «Бактерии» (1902); Фишер, «Лекции о бактериях» (1906); Палладин, «Микробиология» (1900); Е. Duclaux, «Traite de Microbiologic» (т. 2-ой, 1899); Effront, «Les enzymes et leurs applications» (1899); Oppenheimer, «Die Fermente und ihre Wirkungen» (3 изд. 1909; spezieller Theil); Lafar, «Handbuch der technischen Mycologie» (в 5-ти томах, выходит, начиная с 1904 года; наиболее полное сочинение); Fuhrmann, «Vorlesungen uber Bacterienenzyme» (1908): Jager, «Die Bakteriologie des taglichen Lebens» (1909); Henneberg, «Gahrungsbacteriolog. Practicum» (1909); Jorgensen, «Mikroorganismen der Gahrungsindustrie» (1909); Klocker, «Die Gäahrungsorganismen in d. Theorie und Praxis der Alkoholgahrungsgewerbe» (1906). Кроме того, см. руководства органической и физиологической химии, физиологии растений и т. п.   Журналы с текущей литературой и рефератами, см. особенно: «Centralblatt fur Bakteriologie», 2-te Abteilung: Landwirtsch.- techn. Bakt., Guhrungsphysiologie etc.: «Biochemisches Centralbl.», «Bulletin de l'lnstitut Pasteur».

Л.Тарасевич.