Войти
Луи Пастер, Архивные фотографии В биохимии теория ферментации относится к историческим исследованиям моделей процессов естественного брожения, особенно спиртового и молочнокислого брожения. Известными участниками этой теории являются Юстус фон Либих и Луи Пастер, последний из которых разработал чисто микробную основу для процесса ферментации на основе своих экспериментов. Работа Пастера по ферментации позже привела к его развитию микробной теории болезни, которая положила конец концепции спонтанного зарождения. 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 в производстве различных алкогольных напитков, пищевых продуктов и лекарств.
Процесс Ферментация Ферментация - это анаэробный метаболический процесс, который превращает сахар в кислоты, газы или спирты в условиях кислородного голодания. среды. Дрожжи и многие другие микробы обычно используют ферментацию для осуществления анаэробного дыхания, необходимого для выживания. Даже в организме человека время от времени происходят процессы брожения, например, при беге 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 кувшины, найденные в Иране в горах Загрос, содержащие остатки микробов, подобных тем, которые присутствуют в процессе виноделия.
До исследований Пастера о ферментации существовали некоторые предварительные конкурирующие представления о нем. 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. 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 и дрожжи. То есть разложение белкового вещества (т.е. водорастворимых белков) привело к превращению сахара в спирт. Либих придерживался этой точки зрения до своей смерти в 1873 году. Другая теория была поддержана Чарльзом Каньяром де ла Тур и теоретиком клетки Теодором Шванном, которые утверждали, что алкогольное брожение зависит от биологических процессов, происходящих в организме.
Луи Пастер заинтересовался брожением, когда во время своих биохимических исследований он 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». Такое поведение было характерно для органических соединений, которые ранее исследовал Пастер, но также представляло препятствие для его собственное исследование о «законе полуэдрической корреляции». Пастер ранее пытался установить связи между химическими структурами веществ и внешней формой, и оптически активный амиловый спирт не соответствовал его ожиданиям в соответствии с предложенным «законом». причина того, почему произошло это исключение, и почему такое химическое соединение было образовано в процессе ферментации. В серии лекций позже в 1860 году Пастер попытался связать оптическую активность и молекулярную асимметрию с органическим происхождением вещества, утверждая, что никакие химические процессы не способны превратить симметричные вещества (неорганические) в асимметричные (органические). Следовательно, амиловый спирт o Брожение послужило одним из первых мотивов для биологического объяснения ферментации.
В 1856 году Пастер смог наблюдать микробы, ответственные за алкогольное брожение, под микроскопом, будучи профессором естественных наук в Университете Лилля. 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. Пастер проводил эксперименты на фабрике по наблюдению за процессом ферментации, замечая, что дрожжевые глобулы становились удлиненными после образования молочной кислоты, но круглыми и полными, когда спирт ферментировался правильно.
В другом наблюдении Пастер исследовал возникающие частицы. на виноградных лозах под микроскопом и выявили 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. 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 для вина естественным образом возникали на виноградных лозах; ферментация вина рассматривалась как «искусственная», поскольку не требовала дополнительного катализатора, но натуральный катализатор присутствовал на самой виноградной лозе. Эти наблюдения предоставили Пастеру рабочую гипотезу для будущих экспериментов.
Одним из химических процессов, которые изучал Пастер, было ферментация сахара в молочную кислоту, как это происходит при сквашивании молока. В эксперименте 1857 года Пастеру удалось выделить микроорганизмы, присутствующие в молочнокислом ферменте после того, как произошел химический процесс. Затем Пастер в своей лаборатории культивировал микроорганизмы в культуре. Затем он смог ускорить процесс ферментации молочной кислоты в свежем молоке, введя в него культивированный образец. Это был важный шаг в доказательстве его гипотезы о том, что ферментация молочной кислоты катализируется микроорганизмами.
Пастер также экспериментировал с механизмами пивных дрожжей в отсутствие органического азота. 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 небольшие количества целлюлозы и жирных веществ. Однако если какой-либо из ингредиентов удалить из раствора, ферментация не произойдет. Для Пастера это было доказательством того, что дрожжам необходимы азот, минералы и углерод из среды для своих метаболических процессов, выделяя угольную кислоту и этиловый спирт в качестве побочных продуктов. Это также опровергло теорию Либиха, поскольку в среде не было белкового вещества; разложение дрожжей не было движущей силой наблюдаемого брожения.
Замок для брожения, пример аппарата с изогнутым горлышком, используемого в пивоварении сегодня До 1860-х годов и 1870-е годы - когда Пастер опубликовал свою работу по этой теории - считалось, что микроорганизмы и даже некоторые мелкие животные, такие как лягушки, спонтанно генерируют. 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. Позднее Феликс Пуше утверждал, что в растительных и животных остатках существуют «пластические силы», способные спонтанно генерировать яйца, и из этих яиц родились новые организмы. Вдобавок ко всему 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 побудил его критиковать теории Пуше и проводить собственные эксперименты. 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, а внесение атмосферной пыли приводило к появлению микробов и плесени внутри смеси. 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 попадание атмосферной пыли в раствор. Из этих двух экспериментов Пастер пришел к выводу, что атмосферная пыль несет в себе микробы, ответственные за «спонтанное зарождение» в его бульонах. Таким образом, работа Пастера предоставила доказательство того, что возникающий рост бактерий в питательных бульонах вызван биогенезом, а не какой-то формой спонтанного зарождения.
Сегодня процесс ферментации используется для множества повседневных задач, 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. Многие лекарства, такие как антибиотики, производятся в процессе ферментации. Примером является важный препарат кортизон, который можно получить путем ферментации растительного стероида, известного как диосгенин.
ферментационная система Burton Union, Центр для посетителей Coors Ферменты, используемые в реакция обеспечивается плесенью Rhizopus nigricans. Как известно, спирт всех типов и марок также производится путем ферментации и дистилляции. Самогон - классический пример того, как это делается. Наконец, такие продукты, как йогурт, также производятся путем ферментации. Йогурт - это кисломолочный продукт, содержащий характерные бактериальные культуры Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermopiles.
