Пастер неслучайно упорствовал, не желая сводить брожение к обычному катализу. Дело в том, что ферменты сильно отличаются от небиологиче­ских катализаторов.

Во-первых, они чувствительны к температуре, как живые существа. Наи­более распространённый температур­ный режим промышленных катализа­торов — от 200 до 500 °С, а молекулы некоторых ферментов повреждаются уже при 40 °С. При 70 °С большинст­во ферментов полностью теряют ка­талитические свойства.

Во-вторых, ферменты чрезвычай­но чувствительны к кислотности сре­ды. Каждый фермент работает толь­ко в узком интервале рН. Пепсин желудочного сока действует при рН 2—3. Кислая среда обеспечивается соляной кислотой — основным ком­понентом желудочного сока. Оптимальное значение рН большинства внутриклеточных ферментов — око­ло 7. Это — нейтральная среда, кото­рая обеспечивается кровью. В крови здорового человека рН не отличает­ся от среднего значения 7,4 более чем на 0,2. При рН крови ниже 7,0 или вы­ше 7,8 наступает смерть из-за наруше­ния деятельности ферментов.

В-третьих, ферменты обладают огромной каталитической активно­стью: они способны ускорять реак­ции в 10¹⁴—10¹⁵ (миллион миллиар­дов) раз (а многие ферментативные реакции в отсутствие ферментов про­сто не идут). Возможности обычных катализаторов гораздо скромнее. Например, 1 моль фермента алкогольдегидрогеназы за секунду при комнатной температуре способен превратить в уксусный альдегид 720 моль этилового спирта, в то время как 1 моль медного катализатора при 200 °С справляется лишь с 0,1—1 моль спирта. Правда, 1 моль меди весит 64 г, а 1 моль алкогольдегидрогеназы — примерно 84 кг. Но ведь реак­ция идёт между частицами, а не меж­ду килограммами.

С проявлениями деятельности ферментов мы сталкиваемся на каж­дом шагу. Разрезанное яблоко темне­ет на воздухе, оттого что фермент полифенолоксидаза ускоряет окисление находящихся в клетках плода поли­фенолов — органических веществ, содержащих соединённые с бензоль­ным кольцом гидроксильные группы. Когда ранку заливают перекисью (пероксидом) водорода Н₂О₂, перекись «вскипает» — бурно разлагается на во­ду и кислород под влиянием фермен­та каталазы, находящегося в крови. Каталаза нужна организму для унич­тожения пероксида водорода, кото­рый образуется в процессе клеточно­го дыхания.

В пищеварительных соках содер­жатся десятки ферментов: липазы, разлагающие жиры на глицерин и органические кислоты; протеазы, раз­рушающие белки, и др. По мере того как пища проходит по желудочно-ки­шечному тракту, одни ферменты дро­бят сложные молекулы на мелкие кусочки, другие помещают эти «кир­пичики» на клеточные «склады сы­рья», третьи строят из них вещества, необходимые организму.

Очень важную роль играют фер­менты, называемые фосфатазами: они отвечают за гидролиз (т. е. расщепле­ние с участием воды) сложных эфиров фосфорной кислоты. С помощью этих ферментов организм использу­ет энергию, заключённую в углеводах.

Мы обычно не задумываемся над тем, что вся живая природа существу­ет лишь благодаря ферментативному катализу. Электрические разряды и облучение могут вызвать синтез сложных органических молекул, в том числе полимеров, из смеси мета­на, аммиака, углекислого газа и воды, но не в состоянии «вдохнуть» в них жизнь.

На сегодняшний день известно свыше 2 тыс. ферментов, а сколько ещё неизвестных... Большинство на­званий ферментов, как это легко заме­тить, оканчивается на «аза» — так уж учёные договорились их именовать. А вначале обычно ставят название вещества, на которое действует фер­мент. Исключения составляют только самые «старые» ферменты, открытые ещё до этой договорённости.

В детстве многих удивляют и забавля­ют метаморфозы с дрожжевым тес­том. Коричневую массу — дрожжи разводят молоком, «подкармливают» сахаром, замешивают с мукой и, за­ботливо укрыв полотенцем, ставят в тёплое место, а там... Прислушаешься: время от времени будто лопаются пу­зырьки. Теста становится больше... Оно вылезает из миски!

По «стажу» использования челове­ком брожение сравнимо разве что с горением древесины. Поэтому не­удивительно, что издавна оно привлекало внимание пытливых умов. Пока наши (пра-)_nбабки отгоняли наших малолетних (пра-)_n-1 дедов от кадушек с тестом, главы семей задумывались над тайной превращения виноград­ного сусла (ячменного экстракта, та­буретки и т. д.) в вино (пиво, эликсир жизни). И те немногие, кто были грамотны, плоды своих размышлений доверяли бумаге.

В трактате знаменитого европей­ского алхимика Василия Валентина (XV в.) брожение описывается как результат действия некоего духа,...В живых растениях и жи­вотных происходят тысячи каталитических процессов между тканями и жидкостя­ми, которые вызывают об­разование множества раз­нообразных химических соединений...

Эдуард Бухнер

Открытие витаминов, установление строения и определение их биологиче­ской роли относится к концу XIX в. и первой половине XX в. Одним из пер­вых удалось выделить и изучить вита­мин С (аскорбиновая кислота). Одна­ко, несмотря на то, что и графическая формула, и химические свойства это­го соединения были уже известны учё­ным, его до 30-х гг. получали только из растительного сырья — отходов пере­работки плодов цитрусовых деревьев. Поэтому аскорбиновая кислота была дефицитной и довольно дорогой.

«Отцами» витамина С можно счи­тать выдающихся английских химиков Эдмунда Ленгли Херста (1898—1975) и Уильяма Н. Хеуорса (1883—1950), ко­торые выделили его в чистом виде и установили его графическую формулу, определив её как g-лактон 2,3-дегидро-L-гулоновой кислоты.

Подобно другим веществам, содержащим гидроксильные группы, целлюлоза вступает в реакцию этерификации с органическими и неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров. При этом связи между отдельными фрагментами соединения не разры­ваются, и возникает полимер, включающий сложно-эфирные группы —COOR—. При взаимодействии целлюлозы с уксусной кислотой или её производными (например, уксусным ангидридом) образуются ацета­ты целлюлозы, у которых в каждом звене макромоле­кулы на эфирные остатки замещены одна, две или три гидроксильные группы.

Ацетаты целлюлозы используются в производстве синтетических волокон (ацетатного волокна).

При нитровании целлюлозы смесью дымящей азот­ной и концентрированной серной кислот образуется тринитрат целлюлозы, который применяют для приго­товления бездымного пороха (пироксилина).

Динитрат целлюлозы служит основным компонен­том целлулоида — пластмассы, из которой делают не­которые типы искусственных стёкол.

Бумага (от персидск. «бомбака» — «хлопок») представ­ляет собой материал, состоящий из тонко переплетён­ных между собой волокон целлюлозы. Отдельные волок­на связаны друг с другом посредством водородных связей, которые возникают между гидроксильными группами.

Бумага была изобретена в конце II в. до н. э. в Китае, где её получали из волокон хлопка и бамбука. В VIII в. н. э. секрет изготовления бумаги стал известен арабам, а в IX в. его переняли византийцы.

В Средние века для изготовления бумаги использо­вали хлопок, пеньку, а также старое тряпьё — хлопко­вые и льняные ткани. На специальных мельницах их пре­вращали в порошок, который размешивали в воде для получения густой однородной массы. Лишь в XVIII в. бы­ло обнаружено, что удобным исходным веществом для производства бумаги может служить древесина. А пер­вые заводы по переработке древесины в целлюлозу по­явились только в XIX столетии.

Сахар, который вы кладёте в чашку чая или кофе, скорее всего, из са­харной свёклы. Но он мог быть вы­работан и из сладкого сока других растений. Во многих странах этот продукт получают из сахарного тро­стника. Хотя с химической точки зрения свекловичный сахар и трост­никовый — одно и то же вещество, у них всё же есть отличия. Обнару­жить их можно лишь с помощью чувствительного прибора, позволя­ющего определять соотношение изо­топов углерода в образце. В приро­де углерод встречается в виде двух стабильных изотопов — ¹²С и ¹³С, содержание которых, соответствен­но, 98,892 и 1,108%.

Различие в массах изотопов уг­лерода достаточно велико — около 8 %, и это сказывается на скоростях некоторых химических реакций, идущих в живых организмах. На­пример, при фотосинтезе расте­ния, поглощая из воздуха углекис­лый газ, отдают предпочтение более лёгкому изотопу ¹²С, поэтому во всех живых организмах и продуктах их разложения (угле, торфе, нефти) содержание тяжёлого изотопа ¹³С немного понижено, тогда как в уг­лекислом газе и карбонатах морско­го происхождения (известняк из раковин) — повышено.

Сахароза (свекольный или тростни­ковый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁ представляет собой дисахарид, образованный из остатков a-глюкозы и b-фруктозы (в форме полуацеталей), связанных друг с другом. Однако в отличие от этих моносахаридов сахароза не проявляет в растворе восстанови­тельных свойств — не восстанав­ливает оксид серебра и гидроксид меди (II). В кислой среде сахароза гидролизуется — разлагается водой на глюкозу и фруктозу. Вот самый простой пример: сладкий чай кажет­ся ещё более сладким, если положить в него ломтик лимона, хотя, конечно, и кислым одновременно. Это проис­ходит благодаря присутствию ли­монной кислоты, которая ускоряет распад сахарозы на глюкозу и фрук­тозу.

При внесении сахарозы в раствор медного купороса в присутствии щёлочи образуется ярко-синий сахарат меди — вещество, в котором ато­мы металла связаны с гидроксильными группами углевода.

Молекулы одного из изомеров са­харозы — мальтозы (солодового са­хара) состоят из двух остатков глю­козы. Этот дисахарид образуется в результате ферментативного гидро­лиза крахмала.

В молоке многих млекопитающих содержится другой дисахарид, изо­мерный сахарозе, — лактоза (мо­лочный сахар). По интенсивности сладкого вкуса лактоза значительно (в три раза) уступает сахарозе.

Хорошо известно, что неспелые ябло­ки, груши, сливы и другие плоды жёст­кие и кислые на вкус. Созревая, они постепенно становятся мягче и слаще. Отчего же это происходит?

Кислый вкус плода объясняется тем, что в его состав входят органиче­ские кислоты — яблочная, винная и ли­монная. По мере созревания концен­трация этих веществ понижается: они расходуются в процессе дыхания рас­тения, окисляясь до углекислого газа и выделяя энергию, необходимую для жизнедеятельности плода. Фрукты ста­новятся слаще и за счёт того, что в них увеличивается содержание глюкозы, образующейся при распаде (гидролизе) крахмала.

В клетках плодов много пектиновых веществ — высокомолекулярных со­единений, построенных из остатков галактуроновой кислоты (производного галактозы) или её эфиров.

По мере созревания (а также при хранении) под действием ферментов связи между отдельными молекулами галактуроновой кислоты разрываются, пектиновые вещества переходят в водорастворимую форму — и плод становится более рыхлым и мягким. Сход­ные процессы протекают и при варке овощей и фруктов.

Пектиновые вещества легко образу­ют студенистые растворы (гели), особен­но при нагревании в присутствии угле­водов, например, когда варят варенье, готовят джем и мармелад. При этом пектиновые вещества из фруктов пере­ходят в раствор, который постепенно загустевает. В получившемся геле моле­кулы пектина образуют пространствен­ную трёхмерную сетку. Её пустоты за­полняет вода с растворёнными в ней веществами (сахарами, минеральными солями). В кондитерской промышленно­сти для производства джемов использу­ют пектины, специально выделенные из лимонных корок или яблок.

У спелого плода и окраска ярче, чем у незрелого. Это связано с тем, что в процессе созревания активность не­которых ферментов, ответственных за синтез красителей (каротинов, антоцианов), повышается.

Из сладких веществ, несомненно, са­мое известное — обыкновенный пище­вой сахар (сахароза). В наши дни две трети его мирового производства (бо­лее 60 млн. тонн) — это тростниковый сахар, тогда как на долю продукта из сахарной свёклы приходится пример­но 35 млн. тонн. Рафинированная (99,9-процентная) сахароза — одно из самых многотоннажных чистых орга­нических соединений, выпускаемых промышленностью. А головой урожай сахарного тростника — около 1 млрд. тонн (!) — значительно превышает объём заготовок любой другой сель­скохозяйственной культуры.

Сахарозу используют как стандарт при сравнении различных сладких веществ, которых известно великое множество. Обычно поступают так: го­товят сладкий раствор известной кон­центрации, а затем разбавляют его во­дой до тех пор, пока не перестанет чувствоваться сладковатый привкус. Одного человека для таких испытаний недостаточно — ведь вкусовая чувствительность у разных людей неодина­кова, поэтому определяют усреднён­ные данные, обобщая показатели чле­нов специальной комиссии экспертов. Опытный дегустатор чувствует присут­ствие сахарозы в воде при очень малой концентрации — около 10 ммоль/л, или примерно 0,35 г/л. Интересно, что та­кие сластёны, как пчёлы, в тысячи раз менее чувствительны к сахару, чем че­ловек: они не считают сладким даже раствор, в литре которого 20 г сахара (т. е. двухпроцентный). Этот странный на первый взгляд факт, становится понятным, если учесть, что в цветоч­ном нектаре сахаров куда больше — от 40 до 70 %. И пчела просто не отвле­кается на малопитательные продукты. Фруктоза — самый сладкий из при­родных сахаров, она в 1,7 раза слаще сахарозы, а вот глюкоза, как оказалось, вопреки распространённому мнению, в 1,3 раза менее сладкая, чем обычный сахар. Если же химическим путём за­менить в молекуле сахарозы три гидроксильные группы на атомы хлора, по­лучится вещество, которое слаще сахарозы в 2000 раз!

Другой широко распространённый дисахарид — молочный сахар, или лактоза, содержится в молоке (4—5 %). Лактоза в 3 раза уступает сахарозе в сладости. В диетическом питании широ­кое распространение получили сорбит НОСН₂(СНОН)₄СН₂ОН (от лат. Sorbus aucuparia — «рябина») и ксилит НОСН₂(СНОН)₃СН₂ОН (от греч. «ксилон» — «дерево»). Восстановление глю­козы в сорбит осуществляется в про­мышленных масштабах при синтезе витамина С. Сладость сорбита в «саха­розных единицах» равна 0,5, тогда как у ксилита она в 4 раза выше. Ощущение сладкого вкуса от этих веществ сохра­няется дольше, чем от сахарозы, одно­временно они немного «холодят» язык. С химической точки зрения это, собст­венно, и не сахара' вовсе, а многоатом­ные спирты вроде глицерина. Вот почему для усвоения сорбита и ксили­та не требуется инсулин и их могут упо­треблять больные сахарным диабетом, организм которых не способен усваи­вать глюкозу. Применяют их в качестве подсластителей пиши и желающие похудеть: эти вещества малокалорийны.

Когда сахар нагревают выше температуры плавления (до 190 °С), он час­тично разлагается. При этом выделяется вода и образуется карамель. Это аморфная жёлто-бурая вязкая масса, застывающая при охлаждении. В про­цессе карамелизации часть молекул сахарозы распадается на глюкозу и фруктозу, которые в дальнейшем разлагаются:

Другая часть молекул вступает в реакции конденсации с образованием окрашенных продуктов (например, карамелена С₃₆Н₅₀О₂₅ярко-коричневого цвета). Иногда эти вещества добавляют в некоторые сорта сахара.

Сахароза (тростниковый сахар) была хорошо известна на Древнем Востоке. Её выделяли из сока сахар­ного тростника, который сгущали и с помощью молока осветляли, а за­тем промывали известковой водой или раствором золы. Примеси отде­лялись вместе с образующейся пе­ной. Сахарный сироп заливали в формы, он медленно кристаллизо­вался в них, превращаясь в большие куски сахара — сахарные головы. Родиной сахарного тростника считается Индия (слово «сахар» то­же «родом» из Индии: «сакхара» на языке одного из древних народов полуострова означало сначала про­сто «песок», а затем — «сахарный песок»). Из Индии это растение было вывезено в Египет и Персию; оттуда через Венецию сахар посту­пал в европейские страны. Долгое время он стоил очень дорого и считался роскошью. Поисками бо­лее доступных природных источни­ков сахара занимался немецкий хи­мик Андреас Сигизмунд Маргграф. В трактате, изданном в 1747 г., он описал свои опыты по получению сахара из свёклы. К концу XVIII в. в Германии вывели сорт свёклы с по­вышенным содержанием сахара — сахарную свёклу. В 1796—1802 гг.

ученик Маргграфа Франц Карл Ахард (1753—1821) разработал способ выделения сахара из свёклы, положивший начало производству сахара не из привозного тростника, а из местного сырья. Постепенно из дорогого лакомства сахар превра­тился в дешёвый и доступный каж­дому продукт питания.

Фруктоза была впервые выделе­на из «медовой воды» в 1792 г. рус­ским химиком Товием Егоровичем Ловицем, а глюкоза открыта в 1802 г. Химия полисахаридов полу­чила развитие после того, как в 1811 г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф впервые осуществил гидролиз крахмала.