11-12 Спиртовое, молочнокислое брожения, клостридии. Важнейшие биохимические процессы микроорганизмов, используемые на предприятиях отрасли
 Скачать 0.68 Mb.
|
Важнейшие биохимические процессы микроорганизмов, используемые на предприятиях отраслиСпиртовое брожение Молочнокислое брожение Брожения, вызываемые бактериями р.Clostridium Спиртовое брожение Спиртовое брожение лежит в основе хлебопечения, виноделия, пивоварения; используется для получения спирта и целого ряда других продуктов. Возбудители спиртового брожения Основным возбудителем спиртового брожения служат дрожжи. В бродильных производствах используют представителей родов Saccharomyces (S. cerevisiae, S. globosus, S. vini и др.) и Schizosaccharomyces (S. рompe и др.). Распространение Дрожжи широко распространены в природе: на поверхности растений (особенно на плодах и в нектаре), в подстилке, почвах и т.д. Эффект Пастера По отношению к молекулярному кислороду дрожжи – факультативные анаэробы. Явление подавления спиртового брожения в аэробных условиях (в присутствии О2) носит название эффект Пастера. Сбраживание углеводов дрожжами идет гликолитическим путем (путь Эмбдена –Мейергофа-Парнаса). Образовавшийся пируват превращается в ацетальдегид, который восстанавливается до этанола Суммарное уравнение спиртового брожения: С6Н12О6 = 2СН3СН2ОН + 2СО2 Общие условия спиртового брожения Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды (глюкоза, фруктоза) и дисахариды (сахароза, мальтоза). Некоторые из них могут сбраживать пентозы (ксилоза, арабиноза). Полисахариды дрожжи использовать не способны. Оптимальная концентрация сахара для брожения составляет 10-15%. В качестве источника азота наиболее благоприятны аммонийные соли органических кислот, могут использоваться также аминокислоты. Этиловый спирт угнетает развитие большинства дрожжей. Брожение прекращается при 12-14 об.% этанола. Обычно спиртовое брожение протекает при кислой реакции среды (рН 4-5). Если реакцию питательного субстрата поддерживать на щелочном уровне (около рН 8), то одним из основных продуктов брожения будет глицерин: 2С6Н12О6 + Н2О = СН3СООН + СН3СН2ОН + +2СН2ОНСНОНСН2ОН + 2СО2 По отношению к температуре дрожжи Saccharomyces cerevisiae разделяют на Дрожжи верхового брожения, которые вызывают бурное брожение при температуре 20-28 0С. За счет образующегося диоксида углерода, наблюдается пенообразование и клетки микроорганизмов поднимаются на поверхность бродящей жидкости. По окончании брожения дрожжи оседают на дно сосуда, образуя рыхлый осадок. Низовые дрожжи активны при температуре 5-10 0С . При этом брожение совершается спокойно и масса дрожжевых клеток остается не дне сосуда. По окончании брожения дрожжи оседают на дно сосуда, образуя плотный осадок. Побочные продукты спиртового брожения При спиртовом брожении образуются побочные продукты – высшие спирты, или так называемые сивушные масла. К этим соединениям относятся амиловый, изоамиловый, бутиловый, пропиловый и ароматические спирты, которые образуются из соответствующих кетокислот, синтезированных в процессе метаболизма углеводов, или из аминокислот. Молочнокислое брожение Молочнокислое брожение широко применяется при изготовлении кисломолочных продуктов, сливочного масла, маргарина, в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов, при производстве молочной кислоты. Известны три типа молочнокислого брожения Гомоферментативное молочнокислое брожение, при котором из глюкозы образуется только молочная кислота: С6Н12О6=2СН3СНОНСООН Гетероферментативное молочнокислое брожение, когда из глюкозы кроме молочной кислоты получаются этанол и диоксид углерода: С6Н12О6=СН3СНОНСООН + СН3СН2ОН + СО2 Брожение, вызываемое бифидобактериями, - бифидоброжение, при котором из глюкозы образуются ацетат и лактат: 2С6Н12О6=3СН3СООН + 2СН3СНОНСООН Распространение в природе Молочнокислые бактерии встречаются на поверхности растений, в молоке и кисломолочных продуктах, в желудочно-кишечном тракте и на слизистых оболочках человека и животных. Особенности молочнокислых бактерий По форме клетки молочнокислые бактерии представляют собой палочки (длинные и короткие) и кокки; они могут быть соединены попарно или в цепочки. Неподвижные, не образующие спор (за исключением Sporolactobacillus inulinus) грамположительные организмы. Молочнокислые бактерии – анаэробы, но они аэротолерантны, т.е. могут расти при доступе кислорода, но не используют его в своем метаболизме. Молочнокислые бактерии отличаются отсутствием большинства биосинтетических путей. Это обусловливает высокую требовательность рассматриваемых бактерий к источникам питания. Источником углерода и энергии для этих бактерий служат, главным образом, моно- и дисахариды. Молочнокислые бактерии требовательны к источникам азотного питания – они используют органические формы азота. Многие молочнокислые бактерии могут ассимилировать белки, хотя лучше развиваются на аминокислотах, пептидах и полипептидах. Большинство молочнокислых бактерий нуждается и в ростовых веществах. Кокковые формы молочнокислых бактерий Молочнокислые кокки осуществляют гомоферментативное брожение. Они представлены семейством Streptococcaceae родами Streptococcus и Pediococcus. Бактерии рода Streptococcus имеют круглые или слегка овальные клетки диаметром 0,5-1 мкм, расположенные одиночно, парами или в цепочках. К данному роду относят виды S. lactis, S. lactis var. diacetilactis, S. cremoris, S. thermophilus. Streptococcus thermophilus Представители рода Pediococcus – кокки, располагающиеся кучками, тетрадами, парами или единично. Среди видов рода наиболее интересны P. ramnosus, P. acidilactici, P.dextrinicus, P. halophilus. Pediococcus pentosaceus Палочковидные бактерии, осуществляющие молочнокислое брожение Палочковидные бактерии, осуществляющие молочнокислое брожение, относятся к сем. Lactobacillaceae, роду Lactobacillus. Характеризуются значительным разнообразием формы от короткой коккообразной до длинной нитевидной. Располагаются единично, парами или цепочками. Бактерии этого рода обнаруживают в молочных, зерновых и мясных продуктах, пиве, вине, соленьях и маринадах, в воде и сточных водах, а также в ротовой полости и кишечном тракте человека и животных. Лактобациллы, осуществляющие гомоферментативное брожение Среди гомоферментативных молочнокислых палочек можно выделить две группы – Thermobacterium и Streptobacterium. Первая группа представлена организмами, которые, как правило, растут при 450С и выше, обычно не развиваются при 200С и никогда не растут при 150С. К этой группе относятся L.delbrueckii, L. leichmannii, L. lactis L. bulgaricus, L. helveticus и L. acidophilus. Представители второй группы образуют короткие цепочки. Они хорошо развиваются при 15-38 0С, оптимум для них составляет 30 0С. В молоке, молочных продуктах и на растениях обычно обнаруживают несколько видов бактерий второй группы:L. casei, L. xylosus, L. plantarum, L. curvatus. L. сasei играет важную роль в созревании сыров. L. plantarum принимает участие в молочнокислом брожении при квашении овощей и силосовании. Молочнокислые бактерии, осуществляющие гетероферментативное брожение Гетероферментативное молочнокислое брожение осуществляют представители родов Leuconostoc, Lactobacillus (подрод Betabacterium), Bifidobacterium. Бактерии рода Leuconostoc имеют вид сферических или чаще чечевицеобразных клеток. Виды рода обнаруживаются главным образом на растительных материалах (иногда в молоке). L. mesenteroides и L. dextranicum принимают активное участие в сбраживании углеводов при квашении капусты и силосовании. Гетероферментативные лактобациллы – Lactobacillus fermentum, L. brevis, L. cellobiosus Обычно они встречаются на растениях, обнаружены в хлебных заквасках. К роду Bifidobacterium относятся бактерии, имеющие неподвижные, прямые или разветвленные палочки, клетки раздвоенной V-формы, булавовидной или лопатовидной формы. Строгие анаэробы, не переносят присутствия СО2; оптимум температуры для них составляет 36-38 ОС. Известно более 20 видов бифидобактерий; типичный представитель рода – B. bifidum. Бифидобактерии – обитатели кишечника человека, животных, насекомых и т.п. Способность молочнокислых бактерий синтезировать органические антибиотики (низин, диплококцин, лактолин, бревин и др.) и продуцировать органические кислоты позволяет предположить, что эти организмы – антагонисты гнислостной и болезнетворной кишечной микрофлоры человека и животных. Брожения, вызываемые бактериями рода Clostridium Все виды рода объединены в группы в зависимости от способности сбраживать те или иные органические соединения. Первая группа – сахаролитические виды Clostridium, сбраживающие растворимые углеводы, крахмал или пектин с образованием бутирата, ацетата, СО2 и Н2. В группу входят бактерии, вызывающие маслянокислое и ацетонобутиловое брожения: C. butyricum, C.pasteurianum, C. tyrobutyricum, C. butylicum, C. acetobutylicum и др. Возможно, к ней можно отнести и ряд видов Clostridium – высокоспециализированных агентов анаэробного разрушения целлюлозы. Вторая группа – протеолитические виды Clostridium, сбраживающие аминокислоты. Обладают сильными протеолитическими свойствами и способны к интенсивному гидролизу белков с последующим сбраживанием аминокислот. К группе относят виды: C. sporogenes, C. perfringens, C. histolyticum, C. botulinum и др. Третья группа – виды Clostridium, сбраживающие азотсодержащие циклические соединения – пурины и пиримидины. Пурины (гуанин, гипоксантин, ксантин и др.) сбраживают C. acidi-urici и C. cylindrosporum, пиримидины – C. uracilicum и C. oroticum. Четвертая группа включает всего один вид – C. kluyveri, сбраживающий смесь этанола с ацетатом до бутирата и капроновой кислоты, а также небольшого количества водорода. Маслянокислое брожение Суммарное уравнение маслянокислого брожения: 4С6Н12О6 = 3СН3СН2СН2СООН + 2СН3СООН + 8СО2 + 8Н2 Возбудители маслянокислого брожения и их особенности Типичный представитель маслянокислых бактерий – Clostridium butyricum. Это крупная палочка (1-2*10 мкм). Молодые клетки подвижны, на более поздних стадиях развития они теряют жгутики, приобретают веретенообразную форму и накапливают запасное питательное вещество – полисахарид гранулезу. При образовании спор клетки приобретают веретеновидную форму, иногда форму барабанной палочки. Среди маслянокислых бактерий есть мезофильные и термофильные формы. Кроме того, род Clostridium включает и патогенные, и сапротрофные виды. Все они широко распространены в почвах и других естественных субстратах. Источником углерода для маслянокислых бактерий могут служить моно- и дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин, крахмал), лактат и пируват, маннит, глицерин и др. Источником азота для них служат разнообразные вещества - аминокислоты, аммонийные соединения и молекулярный азот. |