КАТАЛИЗ

КАТАЛИЗ (от греч. katalysis — разрушение), изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов), участвующих во взаимодействии с компонентами реакции, но восстанавливающих к концу превращения свой состав. Различают К. положительный (ускорение реакции) и отрицательный (замедление реакции). Каталитич. процессы подразделяют на гетерогенные (катализатор и реагирующие вещества составляют разные фазы, отделенные друг от друга границей раздела) и гомогенные (реакция протекает в одной фазе). Катализаторами могут быть самые разные вещества: органических и неорганических соединения, металлы и их окиси, ионы металлов и их координационные соединения, биологически катализаторы (ферменты) и др. Катализ, осуществляемый ферментами, так называемые ферментативный катализ, играет ведущую роль в химических превращениях в живой природе. Вся система управления жизненными процессами в организмах основана на каталитич. реакциях. Благодаря исключительной эффективности и специфичности ферментативного К. обеспечивается лежащее в основе обмена веществ, строго согласованное взаимодействие различных ферментных систем.

Начало изучению биологически катализаторов было положено в 1814 рус. химиком К.С.Кирхгофом, который установил, что превращение крахмала в глюкозу может катализировать вытяжка из проросшего ячменя (солода). Важнейшим свойством биологически катализаторов является специфичность действия: каждая химических реакция или группа однородных реакций может ускоряться только вполне определенными ферментами. С помощью высокоочищен-ных ферментных препаратов, расщепляющих лишь строго определенные связи, удалось расшифровать структуру ряда белков и нуклеиновых кислот. Биологич. катализаторы имеют большое практическое значение, т.к. многие отрасли промышленности — виноделие, пивоварение, производство спирта, хлебопечение, сыроделие, производство органических кислот, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков — основаны на использовании различных ферментативных процессов. В виноделии ферментативный К. играет огромную роль. В сусле происходит серия реакций, катализируемых ферментами. Важнейшими из них являются реакции окисления фенольных веществ, катализируемых фенолоксидазами, и гидролиз биополимеров (белков, кислых и нейтальных полисахаридов), происходящий под действием соответствующих гидролаз виноградной ягоды, перешедших в сусло и вносимых извне в виде ферментных препаратов (пектолитических, протеолитических, гемицеллюлаз и целлюлаз). Процесс сбраживания сахаров, содержащихся в сусле, и образование вторичных и побочных продуктов также осуществляется системой ферментов дрожжей. Ферментативные окислительно-восстановительные процессы в виноматериалах и вине проводятся в основном оксидоредуктазами и гидролазами. Активность ферментов в винах различна и зависит от технологического процесса выработки вина. Так, при производстве кахетинских вин, хереса, мадеры используют технологию, при которой активность окислительных ферментов усиливается, а для получения сухих столовых вин и шампанских виноматериалов эта активность должна быть минимальной. Ферменты дрожжей в вине усиливают процессы синтеза сложных эфиров, лактонов, ароматических спиртов и др. веществ. Важным ферментом является глютатион-редуктаза, в присутствии которой снижается редокспотенциал вина и происходит восстановление некоторых окисленных веществ, улучшающих его аромат. На использовании ферментативного К. базируются новые технологии: переработка виноградной выжимки (экстракция сахаров и виннокислых соединений при действии композиции ферментов); производство крепких вин из прессовых фракций сусла (с участием ферментных препаратов целлюлазного действия); обработка виноматериалов для предотвращения коллоидных помутнений специальной мультиэнзимной композицией. В виноделии имеют значение также каталитические процессы, осуществляемые ионами металлов и их координационными соединениями. Благодаря спиртовому брожению при формировании вина окислительные ферменты (ка-техолоксидаза, пероксидаза, аскорбатоксидаза, каталаза и др.) обычно инактивируются, однако окислительные процессы с участием молекулярного кислорода продолжают идти. Это обусловлено тем, что ионы и координационные соединения переходных металлов (особенно железа, меди, кобальта, марганца) являются катализаторами многих окислительно-восстановительных процессов в винах. В них содержится множество веществ (оксикислоты, аминокислоты, аскорбиновая и дигидроксифумаровая кислоты и др.). которые, являясь хорошими комплексо-образователями, образуют с ионами переходных металлов координационные соединения, изменяя окислительно-восстановительный потенциал пары Mh+/M(hl)+ и создавая тем самым благоприятные (или неблагоприятные) условия для протекания определенных окислительно-восстановительных процессов за счет активации поглощаемого вином кислорода и определенных компонентов вина, принимающих участие в этих процессах. Каталитич. активирование кислорода соединениями переходных металлов (в первую очередь железа и меди) может осуществляться за счет присоединения различного количества электронов от соответствующих компонентов вина по общей схеме.

Образующийся пероксид водорода Н202 вместе с ионом железа Fe + (реагент Фентона) является сильным окислителем компонентов вина. Механизмы такого действия разнообразны: ион-молекулярные, радикальные, радикально-цепные. При этом активными частицами могут быть различные промежуточные соединения металлов в более высоких степенях окисления, гидроксильный ОН или супероксидный Н02 радикалы, различные субстратные радикалы, гидроперекиси и др. Так как вино представляет собой многокомпонентную систему (несколько сот веществ), то взаимодействие этих активных частиц с многочисленными субстратами порождает огромное число окислительно-восстановительных процессов, знание которых необходимо для управления и регулирования созданием определенных качественных показателей вин (окисленность, стабильность к коллоидным помутнениям, аромат и др.). Часто в виноделии глубокое протекание каталитич. окислительных процессов нежелательно. Ингибирование этих процессов может быть осуществлено с помощью удаления ионов железа, меди и др. металлов или их связывания в неактивные комплексы в процессе оклейки вина желтой кровяной солью ЖКС или добавлением комплексонов.

Литература: ЭмануэльН. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики.

3-е изд. — Москва, 1974;. Кретович В. Л. Введение в энзимологию.

2-е изд. — Москва, 1974: Ферментные препараты в пищевой промышленности. — Москва, 1975; Сычев А. Я. Окислительно-восстановительный катализ комплексами металлов. — К., 1996; Родопуло А. К. Основы биохимии виноделия. — 2-е изд. — Москва, 1983; Каталитические реакции и охрана окружающей среды / Отв. ред. Д. Г. Батыр.

 
< КАРТЫ ФИТОФЕНОЛОГИЧЕСКИЕ   КАТАЛОГ СОРТОВ >