В биохимии теория ферментации относится к историческому изучению моделей естественных процессов ферментации, особенно алкогольной и молочнокислой ферментации. Известные участники теории включают Юстуса фон Либиха и Луи Пастера , последний из которых разработал чисто микробную основу для процесса ферментации на основе своих экспериментов. Работа Пастера по ферментации позже привела к развитию микробной теории болезней , которая положила конец концепции спонтанного зарождения. [1]Хотя процесс ферментации широко использовался на протяжении всей истории до возникновения преобладающих теорий Пастера, лежащие в основе биологические и химические процессы не были полностью поняты. В настоящее время ферментация используется при производстве различных алкогольных напитков, продуктов питания и лекарств. [2] [3]
Обзор ферментации
Ферментация - 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 анаэробного дыхания, необходимого для выживания. Даже в организме человека время от времени происходят процессы брожения, например, во время бега на длинные дистанции; молочная кислота накапливается в мышцах в процессе длительной нагрузки. В организме человека молочная кислота является побочным продуктом ферментации, производящей АТФ , которая производит энергию, поэтому организм может 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 использовалась людьми сознательно примерно с 5000 г. до н.э., о чем свидетельствуют сосуды, извлеченные в районе гор Загрос, Иран, содержащие остатки микробов, подобных тем, которые присутствуют в процессе виноделия.
История
До исследования Пастера ферментации существовало несколько предварительных конкурирующих представлений о ней. Одним из ученых, оказавших значительное влияние на теорию ферментации, был Юстус фон Либих . Либих считал, что брожение в значительной степени представляет собой процесс разложения в результате воздействия на дрожжи воздуха и воды. [4] Эта теория была подтверждена наблюдением Либиха о том, что другие разлагающиеся вещества, такие как гнилые части растений и животных, взаимодействуют с сахаром так же, как дрожжи. То есть разложение белкового вещества (т.е. водорастворимых белков) привело к превращению сахара в спирт. [4] [5] Либих придерживался этой точки зрения до своей смерти в 1873 году. [4] Другая теория была поддержана Чарльзом Каньяром де ла Тур и теоретиком клетки Теодором Шванном , которые утверждали, что алкогольное брожение зависит от биологических процессов, осуществляемых пивоваренным заводом. дрожжи. [6] [5]
Интерес Луи Пастера к ферментации начался, когда он во время своих биохимических исследований заметил некоторые замечательные свойства амилового спирта - побочного продукта молочной кислоты и спиртового брожения. В частности, Пастер отметил его способность «вращать плоскость поляризованного света » и его «несимметричное расположение атомов». [4] Такое поведение было характерно для органических соединений, которые ранее исследовал Пастер, но также представляло препятствие для его собственных исследований. о «законе полуэдрической корреляции». [6] [7] Пастер ранее пытался вывести связи между химическими структурами веществ и внешней формой, и оптически активный амиловый спирт не соответствовал его ожиданиям в соответствии с предложенным «законом» . [6] Пастер искал причину того, почему произошло это исключение, и почему такое химическое соединение было образовано в процессе ферментации в первую очередь. [6] В серии лекций позже в 1860 году Пастер попытался установить связь. оптическая активность и молекулярная асимметрия к органическому происхождению веществ, утверждая, что никакие химические процессы не могут преобразовать симметричные вещества (неорганические) в асимметричные (органические). [6] Следовательно, t Наблюдение за амиловым спиртом послужило одним из первых мотивов для биологического объяснения ферментации.
В 1856 году Пастер смог наблюдать микробы, ответственные за алкогольное брожение, под микроскопом, будучи профессором науки в Университете Лилля . [4] [6] Согласно легенде, берущей начало в биографии Пастера 1900 года, один из его студентов-химиков - владелец завода по производству свекольного спирта в Лилле - обратился к нему за помощью после неудачного года пивоварения. [6] Пастер проводил эксперименты на фабрике, наблюдая за процессом ферментации, и заметил, что дрожжевые глобулы стали удлиненными после образования молочной кислоты, но круглыми и полными, когда спирт правильно ферментировал. [6]
В другом наблюдении Пастер исследовал частицы, образующиеся на виноградных лозах, под микроскопом и обнаружил наличие живых клеток. Если оставить эти клетки погруженными в виноградный сок, происходит активное спиртовое брожение. Это наблюдение предоставило доказательство прекращения различия между «искусственным» брожением в вине и «истинным» брожением в дрожжевых продуктах. [4] Предыдущее неправильное различие частично объясняется тем фактом, что дрожжи нужно было добавлять в пивное сусло, чтобы вызвать желаемое алкогольное брожение, в то время как катализаторы брожения для вина происходили естественным образом на виноградных лозах; ферментация вина рассматривалась как «искусственная», поскольку не требовала дополнительного катализатора, но натуральный 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 ферментация сахара в молочную кислоту, как это происходит при скисании молока. В эксперименте 1857 года Пастеру удалось выделить микроорганизмы, присутствующие в молочно-кислотном ферменте после того, как произошел химический процесс. [9] Затем Пастер культивировал микроорганизмы в культуре в своей лаборатории. Затем он смог ускорить процесс ферментации молочной кислоты в свежем молоке, введя в него культивированный образец. [7] Это был важный шаг в доказательстве его гипотезы о том, что ферментация молочной кислоты катализируется микроорганизмами. [7] [9]
Пастер также экспериментировал с механизмами пивных дрожжей в отсутствие органического азота. [6] Добавляя чистые пивные дрожжи к раствору тростникового сахара, соли аммония и дрожжевой золы, Пастер смог наблюдать процесс спиртового брожения со всеми его обычными побочными продуктами: глицерином , янтарной кислотой и небольшими количествами целлюлозы и жирных кислот. имеет значение. [6] Однако, если какой-либо из ингредиентов удалить из раствора, ферментация не произойдет. Для Пастера это было доказательством того, что дрожжи нуждаются в азоте, минералах и углероде 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
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 возникать спонтанно . Спонтанное зарождение исторически объяснялось по-разному. Аристотель, древнегреческий философ, предположил, что существа появились из определенных смесей земных элементов, таких как глина или грязь, смешанные с водой и солнечным светом. [10] Позже Феликс Пуше утверждал, что в растительных и животных остатках существуют «пластические силы», способные спонтанно генерировать яйца, и из этих яиц родились новые организмы. [5] [6] Вдобавок к этому распространенным свидетельством, которое, казалось, подтверждало 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 заставил его критиковать теории Пуше и проводить собственные эксперименты. [6] В своем первом эксперименте он взял кипяченую засахаренную дрожжевую воду и запечатал ее в герметичном приспособлении. Подача горячего стерильного воздуха в смесь оставляла ее неизменной, в то время как введение атмосферной пыли приводило к появлению микробов и плесени внутри смеси. [5] [6] Этот результат был также усилен тем фактом, что Пастер использовал асбест, форму полностью неорганического вещества, для переноса атмосферной пыли. Во втором эксперименте Пастер использовал те же колбы и сахарно-дрожжевую смесь, но оставил ее простаивать в колбах типа «лебединая шея» вместо того, чтобы вводить какие-либо посторонние вещества. Некоторые колбы оставались открытыми для общего воздуха в качестве контрольной группы, и в них в течение одного или двух дней появлялся рост плесени и микробов. Когда в колбах с «лебединой шейкой» не наблюдалось такого же роста микробов, Пастер пришел к выводу, что структура горлышек блокирует проникновение атмосферной пыли в раствор. [5] [6] Из этих двух экспериментов Пастер пришел к выводу, что атмосферная пыль несла микробы, ответственные за «спонтанное зарождение» в его бульонах. [6] Таким образом, работа Пастера предоставила доказательство того, что возникающий рост бактерий в питательных бульонах вызван скорее биогенезом , чем какой-либо формой спонтанного зарождения.
Приложения
Сегодня процесс ферментации используется во множестве повседневных применений, включая лекарства, напитки и еду. 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 лекарственный препарат кортизон , который можно получить путем ферментации растительного стероида, известного как диосгенин .
Ферменты, используемые в реакции, обеспечиваются плесенью Rhizopus nigricans . [11] Как известно, алкоголь всех типов и марок также производится путем ферментации и дистилляции . Самогон - классический пример того, как это осуществляется. Наконец, такие продукты, как йогурт, также производятся путем ферментации. Йогурт - это кисломолочный продукт, содержащий характерные бактериальные культуры Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermopiles . [12]
Смотрите также
- Займозаболевания (от греческого слова zumoun, означающего «фермент»).
- Клеточное дыхание
- Ферментация в пищевой промышленности
- Луи Пастер
- Дистилляция
- Спонтанное зарождение
Рекомендации
- ^ Пастер, Луи. «Физиологическая теория брожения» . Фордхэмский университет . Проверено 13 марта 2014 года .
- ^ Fiachson, Refr. «Брожение в теории и на практике» . Викинг Food Guy . Проверено 13 марта 2014 года .
- ^ а б Слончевский, Жанна (2009). Микробиология: развивающаяся наука, 2-е издание . Нью-Йорк: У.В. Нортон.
- ^ а б в г д е Конант, Джеймс Брайант; Нэш, Леонард К.; Ролик, Дуэйн; Ролик, Дуэйн HD: Гарвардские истории успеха в экспериментальной науке. Том II . Кембридж, Массачусетс ISBN 978-0-674-59871-3. OCLC 979880864 .
- ^ Б с д е е г Бен-Менахем, Ари. (2009). Историческая энциклопедия естественных и математических наук . Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-68832-7. OCLC 318545341 .
- ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р 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 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ а б в г 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 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Тиндаль, Джон (1892). Очерки о плавучих веществах в воздухе в связи с гниением и инфекциями . Нью-Йорк: Д. Эпплтон.
- ^ а б "Луи Пастер | Программа Лемельсона-Массачусетского технологического института" . lemelson.mit.edu . Проверено 16 февраля 2020 .
- ^ Лехоукс, Дарин, 1968- (19 ноября 2017 г.). Существа, рожденные из грязи и слизи: чудо и сложность самозарождения . Балтимор. ISBN 978-1-4214-2382-1. OCLC 1011094577 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ «Использование ферментации» .
- ^ «Факты о молоке» . Производство йогурта . Проверено 30 марта 2014 года .