Учебник по микробиологии. Учебник для товаровед, и технол фак торг вузов. 5е изд., перераб. М. Экономика, 1985. 256 с

• Название: Учебник для товаровед, и технол фак торг вузов. 5е изд., перераб. М. Экономика, 1985. 256 с
• Анкор: Учебник по микробиологии.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 2.41 Mb.
• Имя файла: Учебник по микробиологии.doc
• Тип: Учебник; #396
• страница: 11 из 25

I

122

словливает ароматичность продуктов, в которых развивается этот стрептококк.

\ Молочнокислые стрептококки широко используют при приготовлении разнообразных кисломолочных продуктов (см. гл. 7, с. 178–182).

Г Сливочный стрептококк (S. cremoris) – сферические клетки, образующие длинные цепочки. Этот мезофильный стрептококк не активный кислотообразователь. Лучше растет при 25°С; минимальная температура развития 10 °С, максимальная 36–38 °С. Применяется в заквасках вместе с молочнокислым стрептококком^ Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин.

Термофильный стрептококк (S. thermophilus) – длинные цепочки кокков, хорошо развивающийся при 40– 45 °С. Накапливает около 1 % кислоты. Применяется вместе с палочковидными бактериями при изготовлении ряженки, южной простокваши, варенца <(рис. 28, б).

!' Болгарская палочка (Lactobacillus bulgaricus)– крупные палочки (иногда зернистые), часто образующие длинные цепочки. Не сбраживает сахарозу. Термофильная бактерия, оптимальная температура ее развития 40–45 °С, минимальная–15–20°С. Это активный кислотообразователь, накапливающий в молоке 2,5–3,5 % молочной кислоты. Используется при изготовлении южной простокваши, кумыса.

I Ацидофильная палочка (L. acidophilus) – термофильная бактерия (рис. 28,в). Температурный оптимум роста 37–40°С, минимум – около 20°С. При сквашивании в молоке накапливается до 2,2 %, кислоты. Некоторые виды этой бактерии способны к слизеобразованию. Используется в производстве ацидофильных кисломолочных продуктов. ^Ацидофильные палочки вырабатывают антибиотические вещества, активные по отношению к возбудителям кишечных заболеваний. Из чистых культур ацидофильных бактерий изготовляют биопрепараты, применяемые в животноводстве для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний сельскохозяйственных животных. Биопрепараты добавляют в корм скоту.

Дельбрюковская палочка – зерновая термофильная палочка (L. delbrueckii), которая встречается поодиночке, короткими и длинными цепочками. Не сбраживает лактозу, поэтому в молоке не развивается. Оптимум температуры 45– 50 °С, минимум 20°С. Образует в субстрате до 2,5% кислоты. Применяется в производстве молочной кислоты и хлебопечении. | Молочнокислая палочка (L. plantarum)–небольшие палочки, часто сцепленные попарно или цепочкой. Температурный оптимум около 30°С. Накапливает до 1,3% кислоты. Это основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов.

Из гетероферментативных молочнокислых бактерий наиболее важными в техническом отношении являются следующие.

123

L. brevis – палочковидные бактерии, сбраживающие сахара при квашении капусты и огурцов с образованием кислот (молочной и уксусной), этилового спирта и углекислого газа.

Leuconostoc cremoris – удлиненные кокки, которые могут быть одиночными, парами или в виде коротких цепочек. При . сбраживании лимонной кислоты образует диацетил. Температурный оптимум 20–25 °С. Этот лейконосток вводят в закваски для ароматизации продуктов.

Некоторые виды Leuconostoc являются активными слизе-образователями. В субстратах, содержащих сахарозу, образуют много «клейкого» полисахарида декстрана. При этом субстрат приобретает густую слизистую консистенцию.

Практическое значение молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. Особенно велика их роль в молочной -' промышленности (см. гл. 7, с. 175).

Большое значение эти бактерии имеют при квашении овощей (см. с. 236), силосовании кормов (растительной массы) для животных, в хлебопечении, особенно при изготовлении ржаного хлеба. В последние годы с положительными результатами ведутся исследования по использованию молочнокислых бактерий при изготовлении некоторых сортов колбас (см. с. 200), а также в процессе созревания слабосоленой рыбы для ускорения процесса и придания продуктам новых ценных качеств (вкуса, аромата, консистенции и др.).

| Промышленное значение имеет также применение молочнокислого брожения для получения молочной кислоты, которую используют в консервной, кондитерской промышленности и в производстве безалкогольных напитков.

Сырьем для производства молочной кислоты брожением служат патока, крахмал и другое крахмал- и сахарсодержа-щее сырье. Крахмал предварительно осахаривают. Вырабатывают молочную кислоту также из молочной сыворотки за счет сбраживания содержащейся в ней лактозы. В первом случае для брожения применяют палочку Дельбрюка, во втором – L. bulgaricus и S. lactis. *

Спонтанно (самопроизвольно) возникающее молочнокислое брожение в продуктах (молоке, вине, пиве, безалкогольных напитках и др.) приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению и др.).

прЬпиЬно'во'кислое брожение

Пропионовокислое брожение – это превращение сахара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и уксусную ^кислоты с выделением углекислого газа и воды: |



Некоторые пропионовокислые бактерии образуют, кроме того, немного других кислот (муравьиновую, янтарную, изова-лериановую).

При пропионовокислом брожении превращение глюкозы до пировиноградной кислоты аналогично протекающему при спиртовом и гомоферментативном молочнокислом брожениях. В дальнейшем восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую происходит сложно и изменяется в зависимости от условий. Это брожение вызывают бактерии, относящиеся к семейству Propionibacteriaceae, роду Propionibacterium. Это неподвижные, бесспоровые, грамположительные палочки, слегка искривленные. В неблагоприятных условиях развития клетки нередко принимают булавовидную форму (рис. 29).

Пропионовокислые бактерии по ряду свойств близки к молочнокислым и часто развиваются совместно с ними. Они весьма требовательны к пище (источникам азота и витаминов). Большинство не развиваются при рН среды ниже 5,0–4,5.

Пропионовокислые бактерии– факультативные анаэробы, но могут выносить лишь низкое парциальное давление кислорода. Оптимальная температура их развития 30–35 °С, но они хорошо растут и при 15–25 °С и отмирают при температуре 60– 70 °С.

Эти бактерии, помимо Сахаров и молочной кислоты, способны сбраживать пировиноградную кислоту, глицерин и некоторые другие вещества. Они разлагают (дезаминируют) аминокислоты, при этом выделяются жирные кислоты.

Пропионовокислое брожение является одним из важных процессов при созревании сыров. При развитии пропионово-кислых бактерий в сырной массе образуемая молочнокислыми бактериями кислота (точнее, ее кальциевая соль) превращается в пропионовую кислоту, уксусную кислоту и углекислый газ. Выделение последнего вызывает образование сырных «глазков» – пустот. Присутствие пропионовой и уксусной кислот в сыре обусловливает его своеобразные острый вкус и запах.

Пропионовая кислота и ее соли являются ингибиторами плесеней и могут быть использованы для предотвращения плесневения продуктов. Некоторые виды, например P. freu-denreichii subsp. shermanii, применяют для получения витамина Bl2.

125

Рис. 29. Пропионовокислые бактерии



МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Маслянокислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода по уравнению

Кроме основных продуктов брожения, в качестве побочных при этом получаются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.

Химизм маслянокислого брожения. В этом виде брожения сахар претерпевает те же превращения, как при спиртовом и

гомоферментативном молочнокислом брожениях, вплоть до образования пи-ровиноградной кислоты. Пировино-градная кислота расщепляется до аце-тилкоэнзима А (СН₃СОКоА), ССЬ и Н₂. Две молекулы образовавшегося , двууглеродного соединения конденсируются, и из синтезированного при этом четырехуглеродного соединения в сложном цикле последовательных превращений через ряд промежуточных продуктов образуется масляная кислота.

Возбудители маслянокислого брожения. Маслянокислые бактерии представляют собой подвижные довольно крупные палочки. Они образуют споры, которые располагаются центрально или ближе к одному из концов клетки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки (рис. 30). Споры довольно термоустойчивы, выдерживают кипячение в течение нескольких минут.

Характерной особенностью этих бактерий является наличие в клетках крахмалоподобного полисахарида гранулезы (в виде зернышек –гранул), окрашивающегося от йода в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет.

Эти бактерии –строгие анаэробы. Оптимальная температура их развития 30–40°С. Они чувствительны к кислотности среды, оптимум рН 6,9–7,4; при рН ниже 4,5–4,9 прекращают развиваться. >

Маслянокислые бактерии относятся к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. Типичным их представителем является С1.

butyricum. /

Многие из них способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные соединения –декстрины, крахмал, пектиновые вещества, глицерин, соли молочной кислоты. По отношению к источникам азота эти бактерии неприхотливы.

126



Рис. 30. Маслянокислые бактерии



Они могут усваивать азот как белковый и аминокислотный, так и аммонийный, а некоторые виды используют даже свободный азот из воздуха.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Постоянным местообитанием их являются почва, илистые отложения на дне водоемов, скопления разлагающихся растительных остатков. Встречаются они и в различных пищевых продуктах.

Практическое значение маслянокислого брожения. В природе это брожение имеет положительное значение как звено в цепи многообразных превращений органических веществ. В народном хозяйстве оно часто приносит значительный ущерб. Маслянокислые бактерии могут вызвать массовую, гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов (бом-баж), прогоркание молока, увлажненной муки и т. д. Они вызывают порчу квашеных овощей при замедленном молочнокислом брожении; образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.

Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты, которая широко используется в промышленности.

Масляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с неприятным резким запахом. Слабые растворы этой кислоты обладают специфическим сырным запахом. Эфиры масляной кислоты отличаются приятным ароматом, например метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый – грушевый, амиловый эфир – ананасный. Их используют как ароматические вещества в кондитерской и парфюмерной промышленности, а также при изготовлении фруктовых напитков.

АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ

Близким к маслянокислому является ацетонобутиловое брожение, в процессе которого образуется значительно большее количество бутилового спирта и ацетона, чем при обычном маслянокислом брожении. При этом образуется также этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются углекислый газ и водород.

Возбудители ацетонобутилового брожения представляют собой подвижные спорообразующие палочки, анаэробы.

В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. После отгона из бражки ацетона и спиртов остающийся отход – барду – используют для извлечения витамина В₂, который продуцируют ацетонобутиловые бактерии. Барда может быть использована и для выращивания метановых бактерий, которые синтезируют витамин В₁₂.

В настоящее время ацетон и бутиловый спирт получают и химическим синтезом.

БРОЖЕНИЕ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

Этот вид брожения близок к маслянокислому. Под воздействием пектолитических ферментов микроорганизмов, развивающихся в растительном пищевом сырье и в продуктах его

127

Переработки, протопектин превращается в растворимый пектин. Пектин разлагается с образованием галактуроновых кислот, углеводов (ксилозы, галактозы, арабинозы), метилового спирта и других веществ. Сахара сбраживаются бактериями по типу маслянокислого брожения с образованием уксусной и масляной кислот, углекислого газа и водорода. Все эти процессы приводят к мацерации (распаду) пораженных объектов и к другим видам их порчи.

Возбудителями брожения являются- спорообразующие анаэробные, подвижные бактерии.

В природе (в воде, почве) пектиноразрушающие бактерии играют большую роль в процессе разложения растительных остатков.

Пектиновое брожение лежит в основе процесса мацерации прядильных растений (льна, конопли и др.) при их водяной мочке.

БРОЖЕНИЕ КЛЕТЧАТКИ

Клетчатка (целлюлоза) является основным веществом клеточных стенок растений.

Брожение клетчатки состоит в разложении ее в анаэробных условиях с образованием масляной и уксусной кислот, углекислого газа, этилового спирта, водорода.

Этот процесс вызывают спорообразующие мезофильные и термофильные целлюлозные бактерии. Обладая ферментами целлюлазой и целлобиазой, они гидролизуют клетчатку до глюкозы, которую сбраживают по типу маслянокислого брожения.

Мезофильные целлюлозоразрушающие бактерии впервые были выделены В. Л. Омелянским. Температурный оптимум развития этих бактерий около 30–35 °С. Термофильные анаэробные целлюлозоразрушающие бактерии имеют температурный оптимум около 60 °С. Они детально изучены А.чА. Им-шенецким.

Целлюлозные бактерии широко распространены в природе. Их биохимическая деятельность имеет большое значение в, общем круговороте углерода в природе. Велика их роль при разрушении осадков производственных и бытовых сточных вод в очистных сооружениях метантенках. Однако целлюлозные бактерии причиняют и вред, разрушая многие материалы, содержащие клетчатку.

Аэробные процессы

К окислительным (аэробным) процессам относят вызываемые микроорганизмами биохимические процессы, протекающие с участием кислорода воздуха.

Большинство аэробных микроорганизмов окисляют органические вещества в процессе дыхания до углекислого газа и воды. Однако некоторые окисляют их частично, в результате чего в среде накапливаются не вполне окисленные органические соединения.

Поскольку эти продукты окисления сходны с образующимися при брожениях, некоторые процессы неполного окисления условно называют окислительными брожениями.

128

УКСУСНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Уксуснокислое брожение – это окисление бактериями этилового спирта в уксусную кислоту:



Такое брожение было известно еще в глубокой древности. В оставленном на воздухе сосуде с виноградным вином или пивом через день-два на поверхности напитков появлялась сероватая пленка, при этом вина (пиво) мутнели и прокисали.

Химизм уксуснокислого брожения. При уксуснокислом брожении реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Сначала образуется уксусный альдегид, который затем окисляется в уксусную кислоту:



Возбудители уксуснокислого брожения. Уксуснокислые бактерии представляют собой грамотрицательные, палочковидные, бесспоровые, строго аэробные организмы. Среди них есть подвижные и неподвижные бактерии. Они кислотоустойчивы и некоторые могут развиваться при рН среды около 3,0; оптимальное значение рН 5,4–6,3.

Уксуснокислые бактерии отнесены к двум родам: Glucono-bacterium – палочки с полярными жгутиками, неспособные окислять уксусную кислоту, и Acetobacter – перитрихи, окисляющие уксусную кислоту до углекислого газа и воды.

Эти бактерии различаются размерами клеток, устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и другими признаками. Например, A. aceti накапливает в среде до б % уксусной кислоты, A. aceti subsp. orleanensis – до 9,5, a A. aceti subsp. xylinum – до 4,5 %. A. aceti выдерживают довольно высокую концентрацию спирта – до 9–11 %, a A. aceti subsp. xylinum – лишь 5–7 % ·

Оптимальная температура роста для уксуснокислых бактерий около 30 °С. Некоторые из них способны синтезировать витамины Βι, Вг и В₁₂, однако многие сами нуждаются в витаминах, и прежде всего в пантотеновой кислоте.

Уксуснокислые бактерии часто встречаются в виде длинных нитей, и многие образуют пленки на поверхности субстрата. Например, для A. pasteurianus характерна сухая морщинистая пленка, для A. aceti subsp. xylinum – мощная хря-щевидная пленка, в состав которой входит клетчатка. Некоторые бактерии образуют лишь островки пленки на поверхности жидкости или кольцо около стенок сосуда. Появление пленок связано с ослизнением клеточных оболочек.

Этим бактериям свойственна изменчивость формы клеток. В неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают

129

необычную форму – толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки (рис. 31).

Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе. Они встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.

Практическое значение уксуснокислого брожения. На уксуснокислом брожении основано промышленное получение уксуса для пищевых целей.

Процесс ведут в специальных башневидных чанах (генераторах), внутри которых неплотно заложены буковые стружки. В верхней части генератора имеется приспособление для равномерного орошения стружек перерабатываемым

спиртсодержащим субстратом. Исходным сырьем служит уксусноспиртовой раствор с питательными (для бактерий) солями или разбавленное подкисленное вино. Подкисление субстрата необходимо для того, чтобы предотвратить развитие вредителей производства – пленчатых дрожжей и слизеобразую-щих непроизводственных видов уксуснокислых бактерий, которые могут попасть извне. Производственной культурой чаще служит A. aceti. В стенках генератора имеются отверстия для засасывания (или вдувания) воздуха. Чем лучше аэрация, тем активнее протекает процесс брожения.

По мере протекания субстрата по стружкам уксуснокислые бактерии, обильно заселяющие стружки, окисляют спирт в уксусную кислоту, и в нижней части аппарата накапливается готовый уксус, который периодически сливают через сифонное устройство генератора. Заряженный генератор работает непрерывно в течение многих месяцев, если культура бакте!-рий не загрязнится посторонними вредными микроорганизмами.

Уксуснокислые бактерии могут при недостатке спирта окислять уксусную кислоту до углекислого газа и воды. Этот процесс называется переокислением, он опасен для производства.

В генераторах и в готовом уксусе часто разводятся уг-рицы – мелкие (длиной 1–2 мм) черви, которые питаются уксусными бактериями. Уксус становится мутным, приобретает неприятный привкус. Уксус очищается от них пастеризацией с последующей фильтрацией.

130



Рис. 31. Пленка уксуснокислых бактерий

В настоящее время процесс производства уксуса стали, вести «глубинным» способом в герметично закрытых аппаратах, в которых спиртсодержащий субстрат с введенными в него уксуснокислыми бактериями аэрируется и перемешивается непрерывно подаваемым в аппарат воздухом. Этот метод имеет ряд преимуществ: меньше требуется производственных площадей, процесс автоматизирован и протекает значительно быстрее, исключена инфекция извне:

Самопроизвольное развитие уксуснокислых бактерий в вине, пиве, квасе, безалкогольных напитках и других продуктах приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению).

Окисление других спиртов и сахара уксуснокислыми бактериями. Уксуснокислые бактерии могут окислять и другие одноатомные спирты, например пропиловый спирт в пропионовую кислоту, бутиловый – в масляную. Метиловый спирт и одноатомные высшие спирты эти бактерии не окисляют.

Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют глюкозу в глюконовую кислоту:



Превращение глюкозы в глюконовую кислоту известно как глюконовокислое брожение. Глюконовая кислота применяется в медицине, ветеринарии и в фармацевтической промышленности. Кроме уксуснокислых бактерий, глюконовую кислоту в глюкозосодержащих субстратах образуют некоторые флуоресцирующие бактерии (например, Pseudomonas fluores-cens) и некоторые плесневые грибы из родов Aspergillus и Penicillium, которые также используют в промышленности.

Интенсивность образования глюконовой кислоты зависит от состава сбраживаемого субстрата, интенсивности аэрации, штамма гриба и др.

Особый интерес представляет окисление некоторыми уксуснокислыми бактериями многоатомных спиртов в кетоспирты или кетосахара. Эти процессы и вызывающие их бактерии называют кетогенными. В промышленности используют окисление шестиатомного спирта сорбита в сорбозу:



Сорбоза применяется при синтезе аскорбиновой кислоты (витамина С).

Имеет значение также окисление уксуснокислыми бактериями глицерина в диоксиацетон, являющийся ценным продуктом для химической промышленности:



ЛИМОННОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Плесени в процессе дыхания также нередко окисляют углеводы, но не до углекислого газа и воды, поэтому в среде

131

накапливаются продукты неполного окисления – различные органические кислоты (щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная и др.).

Образование грибами лимонной кислоты применяется в промышленности.

Лимоннокислым брожением называется окисление глюкозы грибами в лимонную кислоту. Конечный результат брожения можно представить следующим суммарным уравнением:



Химизм образования лимонной кислоты из сахара до настоящего времени окончательно не установлен. Большинство исследователей считает, что это брожение до образования пи-ровиноградной кислоты протекает, как и другие виды брожения. Далее превращение пировиноградной кислоты в лимонную сходно с ее образованием в цикле Кребса (см. с. 68).

Технические приемы биохимического получения лимонной кислоты в СССР были разработаны В. С. Буткевичем и С. П. Костычевым.

Возбудителем брожения является гриб Aspergillus niger.

Основным сырьем служит меласса – черная патока. Раствор ее, содержащий около 15 % сахара, в который добавляют необходимые для гриба питательные вещества (различные минеральные соли), стерилизуют и наливают невысоким (8–12 см) слоем в плоские открытые сосуды-кюветы и засевают спорами гриба. Кюветы помещают в растильные камеры, которые хорошо аэрируются. Процесс продолжается б– 8 дней при температуре около 30 °С. Гриб развивается на поверхности сбраживаемой жидкости. Выход лимонной кислоты достигает 60–70 % израсходованного сахара. По окончании брожения раствор из-под пленки гриба сливают. Лимонную кислоту выделяют из раствора и подвергают очистке и кристаллизации. При отсутствии в растворе сахара эта кислота может быть окислена грибом до более простых продуктов – щавелевой и уксусной кислот, углекислого газа и воды.

Описанный поверхностный метод (гриб развивается на поверхности сбраживаемого субстрата) получения лимонной кислоты заменяется в настоящее время глубинным методом, при котором предварительно выращенный (в виде гранул) мицелий гриба вносят в сбраживаемую жидкость, помещенную в герметично закрывающийся танк (ферментатор). В период брожения жидкость в танке непрерывно аэрируют и перемешивают стерильным воздухом. Этот способ повышает производительность труда, позволяет избежать заражения сбраживаемого субстрата посторонними микроорганизмами, процесс легче автоматизировать и механизировать.

Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, в кулинарной практике и медицине.

132

РАЗЛОЖЕНИЕ КЛЕТЧАТКИ И ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

Разложение клетчатки и пектиновых веществ в аэробных условиях происходит под действием микроорганизмов, которые имеют пектолитические ферменты и целлюлазу. Сначала микроорганизмы гидролизуют клетчатку и пектиновые вещества, а затем окисляют продукты гидролиза до углекислого газа и воды. Такой способностью обладают многие грибы и некоторые бактерии (цитофаги, некоторые миксобактерии и актиномицеты, см. с. 21).

Аэробное разложение клетчатки и пектиновых веществ широко распространено в природе и имеет огромное значение в процессах минерализации растительных остатков. Однако целлюлозо- и пектинразлагающие микроорганизмы могут значительно снизить качество различных промышленных материалов, содержащих клетчатку, а также растительного пищевого сырья (плодов, овощей). Гидролиз пектиновых веществ приводит к разрыхлению мякоти плодов и овощей, вплоть до распада тканей (появляется мокрая гниль), а гидролиз клетчатки – к разрушению стенок клеток мякоти и внедрению в них микроорганизмов.

РАЗРУШЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

В древесине находится главным образом клетчатка (до 50– 55%), инкрустированная лигнином, содержание которого доходит до 30%. Кроме клетчатки и лигнина, в древесине имеется до 15 % гемицеллюлозы и некоторое количество смолистых и других веществ. Сухая древесина стойка и может длительно сохраняться без изменения, но во влажном состоянии она сравнительно легко поражается различными грибами, преимущественно трутовыми, относящимися к базидиальным грибам (см. с. 35).

Все трутовые грибы обладают экзоферментом целлюлазой и вызывают деструктивное разрушение древесины, при этом она крошится, темнеет, растрескивается.

Некоторые трутовики обладают, кроме того, ферментами, воздействующими на лигнин. Они вызывают коррозионное разрушение древесины, которая при этом размягчается, становится волокнистой.

Продукты ферментативного разрушения древесины являются для грибов источником питания и энергии.

Наиболее активными, поражающими заготовительную древесину в складских помещениях и обработанную, используемую в постройках, а также тару являются грибы семейств пориевых и кониофоровых. Из последних особо опасен настоящий домовый гриб (Serpula lacrymans). Борьба с ними основана на применении мероприятий профилактического характера и обработке антисептиками.

133

РАЗЛОЖЕНИЕ ЖИРОВ И ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Под действием различных физико-химических факторов внешней среды, а также микроорганизмов жиры могут подвергаться значительным изменениям.

Воздействие микроорганизмов на жир начинается обычно с гидролиза его под влиянием ферментов липаз на глицерин и свободные жирные кислоты. Жирные кислоты накапливаются в субстрате, поэтому нередко о снижении качества жира судят по изменению его «кислотного числа» –- показателю содержания свободных жирных кислот. Продукты гидролиза подвергаются превращениям. Глицерин используется многими микроорганизмами и может быть полностью окислен до углекислого газа и воды. Жирные кислоты разрушаются медленнее, но и они, в первую очередь ненасыщенные, постепенно окисляются.

Некоторые микроорганизмы, помимо липолитических ферментов (липаз), обладают окислительным ферментом липокси-геназой, катализирующей процесс окисления кислородом воздуха некоторых ненасыщенных жирных кислот. В результате образуются перекиси жирных кислот, легко подвергающиеся дальнейшему окислению с образованием различных промежуточных продуктов – оксикислот, альдегидов, кетонов и других, придающих жиру специфические неприятные вкус (прогорклость) и запах.

Промежуточные продукты окисления жира и жирных кислот в свою очередь могут быть использованы микроорганизмами в процессах их метаболизма и в конечном счете превратиться в углекислый газ и воду.

Возбудителями процессов разложения жира и жирных кислот являются различные бактерии, многие плесени, некоторые дрожжи и актиномицеты. Из бактерий очень активны бактерии рода Pseudomonas, особенно флуоресцирующие (продуцирующие пигменты). Из плесеней значительной липолитической активностью обладают Oidium lactis, Cladosporium herbarum, многие виды Aspergillus и Penicillium.

Порча пищевых жиров и жира, содержащегося в различных продуктах (рыбных, молочных, крупяных и др.), очень распространена и нередко наносит большой ущерб народному хозяйству.

Многие жирорасщепляющие микроорганизмы являются пси-хротрофами, способными развиваться при низких положительных температурах.

При длительном хранении жиров в условиях, не допускающих развитие микробов, порча жира может быть результатом химических процессов под влиянием света, кислорода воздуха.

Разложение жиров микроорганизмами в природных условиях (в почве, в воде) происходит постоянно и имеет большое значение в общем круговороте веществ в природе.

134

ПРЕВРАЩЕНИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ

Гнилостные процессы

В метаболизме микроорганизмов азотсодержащие вещества подвергаются разнообразным превращениям. По случайно поверхностному сходству разные виды порчи пищевых продуктов нередко называют гниением. Однако гниение – это процесс глубокого разложения белковых веществ микроорганизмами.

Способность разлагать в той или иной степени белковые вещества свойственна многим микроорганизмам. Некоторые из них разлагают непосредственно белки, другие могут воздействовать только на более или менее простые продукты распада белковой молекулы, например на пептиды, аминокислоты и др.

Продукты разложения белков микробы используют для синтеза веществ своего организма, а также в качестве энергетического материала.

Химизм разложения белковых веществ. Гниение – сложный, многоступенчатый биохимический процесс, характер и конечный результат которого зависят от состава разлагаемых белков, условий процесса и видов вызывающих его микроорганизмов.

Белковые вещества не могут непосредственно поступать в клетки микроорганизмов, поэтому использовать белки могут только те микроорганизмы, которые обладают протеолитиче-скими ферментами – экзопротеазами, выделяемыми клетками в окружающую среду.

Процесс распада белков начинается с их гидролиза. Первичными продуктами гидролиза являются пептоны и пептиды. Они расщепляются до аминокислот, которые являются конечными продуктами гидролиза.

Образующиеся в процессе распада белков различные аминокислоты используются микроорганизмами или подвергаются ими дальнейшим изменениям, например дезаминированию, в результате чего образуются аммиак' и разнообразные органические соединения. Процесс дезаминирования может происходить различными путями. Различают дезаминирование гидролитическое, окислительное и восстановительное.

Гидролитическое дезаминирование сопровождается образованием оксикислот и аммиака. Если при этом происходит и декарбоксилирование аминокислоты, то образуются спирт, аммиак и углекислый газ:



¹ Ввиду того что аммиак всегда имеется в конечных продуктах распада белков, процесс гниения называют также аммонификацией белковых веществ.

135

При окислительном ДеЗаМйнированйи образуются кетокислоты и аммиак:





При восстановительном дезаминировании образуются карбоновые кислоты и аммиак:

Из приведенных уравнений видно, что среди продуктов разложения аминокислот в зависимости от строения их радикала (R) обнаруживаются различные органические кислоты и спирты. Так, при разложении аминокислот жирного ряда могут накапливаться муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная и другие кислоты, пропиловый, бутиловый, амиловый и другие спирты. При разложении аминокислот ароматического ряда промежуточными продуктами являются характерные продукты гниения: фенол, крезол, скатол, индол – вещества, обладающие очень неприятным запахом. При распаде аминокислот, содержащих серу, получается сероводород или его производные – меркаптаны (например, метилмеркаптан CH₃SH). Меркаптаны обладают запахом тухлых яиц, который ощущается даже при ничтожно малых концентрациях.

Образующиеся при гидролизе белка диаминокислоты могут подвергаться декарбоксилированию без отщепления аммиака, в результате чего получаются диамины и углекислый газ. Например, лизин превращается в кадаверин:



Аналогично этому орнитин превращается в путресцин.

Кадаверин, путресцин и другие амины, образующиеся при гниении, часто объединяют под общим названием птомаины (трупные яды), некоторые из них обладают ядовитыми свойствами.

Дальнейшее превращение азотистых и безазотистых органических соединений, получающихся при распаде различных аминокислот, зависит от окружающих условий и состава микрофлоры. Аэробные микроорганизмы подвергают эти соединения окислению, так что они могут быть полностью минерализованы. В таком случае конечными продуктами гниения являются аммиак, углекислый газ, вода, сероводород, соли фосфорной кислоты. В анаэробных условиях не происходит полного окисления промежуточных продуктов распада аминокислот. В связи с этим кроме аммиака и углекислого газа накапливаются различные органические кислоты, спирты, амины и другие органические соединения, в числе которых могут быть вещества, обладающие ядовитыми свойствами, и вещества, придающие гниющему материалу отвратительный запах.

Возбудители гниения. Среди множества микроорганизмов,

136

способных в той или иной мере разлагать белки, особое значение имеют микроорганизмы, которые вызывают глубокий распад белков – собственно гниение. Такие микроорганизмы принято называть гнилостными. Из них наибольшее значение имеют бактерии. Гнилостные бактерии могут быть спорообра-зующими и бесспоровыми, аэробными и анаэробными. Многие из них мезофилы, но есть холодоустойчивые и термостойкие. Большинство чувствительны к кислотности среды.

Наиболее распространенными и активными возбудителями гнилостных процессов являются следующие.

Сенная и картофельная палочки¹ – аэробные, подвижные, грамположительные, спорообразующие бактерии



Рис. 32. Вас. subtills:

а – палочки и овальные споры; б – колония

(рис. 32). Споры их отличаются высокой термоустойчивостью. Температурный оптимум развития этих бактерий 35–45 °С, максимум роста – при температуре около 50–55 °С; при температуре ниже 5 °С они не размножаются. Помимо разложения белков, такие бактерии способны разлагать пектиновые вещества, полисахариды растительных тканей, сбраживать углеводы. Сенная и картофельная палочки широко распространены в природе и являются возбудителями порчи многих пищевых продуктов. Они вырабатывают антибиотические вещества, подавляющие рост многих болезнетворных и сапрофитных бактерий.

Бактерии рода Pseudomonas – аэробные подвижные палочки, с полярным жгутиком, не образующие спор, грамотри-цательные (рис. 33,а). Многие',виды холодоустойчивы, минимальная температура их роста от –2 до –5 °С, оптимум – около 20 °С. Многие псевдомонасы помимо протеолитической обладают липолитической активностью; они способны сбраживать углеводы с образованием кислот, выделять слизь. Развитие

¹ В соответствии с Международным кодексом номенклатуры бактерий сенная и картофельная палочки рассматриваются как синонимы одного вида– Bacillus subtilis.

_{137

и биохимическая активность этих бактерий значительно тормозятся при рН ниже 5,5 и 5–6%-ной концентрации NaCl в среде. Псевдомонасы широко распространены в природе, являются антагонистами ряда бактерий и плесеней, так как образуют антибиотические вещества. Некоторые виды Psudomo-nas являются возбудителями болезней (бактериозов) культурных растений, плодов и овощей.

Протей (Proteus vulgaris)–мелкие грамотрицательные бесспоровые палочки с резко выраженными гнилостными свойствами. Белковые субстраты при развитии в них протея приобретают сильный гнилостный запах. В зависимости от усло-



Рис. 33.

а – Pseudomonas; б – Proteus vulgaris

вий жизни эти бактерии способны заметно менять свою форму и размеры (рис. 33, б).

Протей – факультативный анаэроб; сбраживает углеводы с образованием кислот и газов. Он хорошо развивается как при температуре 25 °С, так и при 37 °С, прекращая размножаться лишь при температуре около 5 °С, однако может сохраняться и в замороженных продуктах.

Характерной особенностью протея является его очень энер-гетичная подвижность. Это свойство лежит в основе метода ^выявления протея на пищевых продуктах и отделения его от сопутствующих бактерий. Некоторые виды протея выделяют токсические для человека вещества (см. с. 159).

Clostridium putrificum (рис. 34, а) – анаэробная подвижная, спорообразующая палочка. Относительно крупные споры ее располагаются ближе к концу клетки, которая при этом приобретает сходство с барабанной палочкой. Споры довольно термоустойчивы. Углеводы эта бактерия не сбраживает. Белки разлагают с образованием большого количества газов (NH₃, H2S). Оптимальная температура развития 37– 43 °С, минимальная 5 °С.

138

Clostridium sporogertes (рис. 34, б) – анаэробная подвижная спороносная палочка. Споры термоустойчивы, в клетке они расположены ближе к ее концу. Характерным является очень быстрое (в течение первых суток роста) образование спор. Эта бактерия сбраживает углеводы с образованием кислот и газа, обладает липолитической способностью. При разложении белков обильно выделяется сероводород. Оптимальная температура развития 35–40 °С, минимальная – около 5 °С.

Оба вида клостридий известны как возбудители порчи баночных консервов (мясных, рыбных и др.).



Рис. 34.

а – Clostridium putrificum; б – Clostridium sporogenes

Практическое значение процессов гниения. Гнилостные микроорганизмы наносят нередко большой ущерб народному хозяйству, вызывая порчу ценнейших и богатых белками продуктов питания, например мяса и мясопродуктов, рыбы и рыбопродуктов, яиц, молока и др. Но эти микроорганизмы играют большую положительную роль в круговороте веществ в природе, минерализуя белковые вещества, попадающие в почву, воду.

Нитрификация

Процесс последовательного окисления аммиака до азотистой и азотной кислот называется нитрификацией, а возбудители его – нитрифицирующими бактериями. Сущность этого процесса была раскрыта и изучена С. Н. Виноградским.

Работами С. Н. Виноградского установлено, что процесс нитрификации происходит в две фазы, каждая из которых обусловлена деятельностью специализированных аэробных бактерий. Возбудители первой фазы – нитрозные бактерии – окисляют аммиак до солей азотистой кислоты (нитритов). Возбудители второй фазы – нитратные бактерии – окисляют соли азотистой кислоты в соли азотной кислоты (нитраты).

Нитрифицирующие бактерии относятся к хемоавтотрофам. Они живут в почве, природных водоемах, обогащая их нитратами – лучшим источником азотистого питания для растений.

139

Денитрификация

Процесс восстановления нитратов до молекулярного азота называется денитрификацией, а бактерии, осуществляющие его,– денитрифицирующими бактериями.

Денитрифицирующие бактерии – факультативные анаэробы. В аэробных условиях в процессе их дыхания конечным акцептором водорода является кислород. В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используются нитраты (некоторые используют нитриты), которые и восстанавливаются до молекулярного азота. Многие микроорганизмы восстанавливают нитраты только до нитритов.

Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Они живут в почве, природных водах. Деятельность денитрифицирующих бактерий в почве отрицательна, особенно при анаэробных условиях, так как азот нитратов, усваиваемый растениями, переходит в неиспользуемый ими свободный азот.

Фиксация молекулярного азота

Некоторые бактерии способны фиксировать свободный атмосферный азот, т. е. переводить его в связанное состояние. Они восстанавливают азот до аммиака; часть его используется самими микроорганизмами, а часть выделяется в окружающую среду.

Одни азотфиксирующие (азотусваивающие) бактерии живут свободно в почве и в воде; другие – в симбиотическом сожительстве с растениями, преимущественно бобовыми. Бактерии поселяются в бородавчатых вздутиях – клубеньках корней этих растений. Отсюда произошло и название этих бактерий – клубеньковые. Необходимую для фиксации азота энергию они получают в процессе окисления безазотистых органических соединений.

Среди свободно живущих азотфиксирующих бактерий наибольшее значение имеют следующие:

аэробные бактерии рода азотобактер (Azotobacter) – слегка приплюснутые кокки, часто объединенные попарно, имеющие слизистую капсулу;

анаэробные бактерии, открытые С. Н. Виноградским, Clostridium paste-urianum – подвижные спорообразующие палочки, способные сбраживать углеводы по типу маслянокислого брожения, которое и служит этим бактериям источником энергии для связывания молекулярного азота.

Азотфиксирующие бактерии имеют большое значение. В результате их деятельности почва обогащается доступной для растений формой азотистого питания.

В практике сельского хозяйства в качестве бактериального удобрения используют препараты азотфиксирующих бактерий – азотобактерин (из культур азотобактера) и нитрагин (из Культур клубеньковых бактерий).