Использование энергии микроорганизмами

Свободная энергия, освобождаемая в процессах дыхания и брожения, не может быть непосредственно использо­вана клеткой. Она должна быть преобразована в биологически доступную форму — в химическую энергию макроэргических фосфатных связей фосфорорганических соединений, главным из которых является АТФ.

АТФ является универсальным переносчиком химической энергии между реакциями, доставляющими энергию, и реакциями, потребляющими ее. АТФ называют "энергетической валютой" клетки. Из этого своеобразного аккумуля­тора организм черпает энергию для удовлетворения своихь потребностей.

АТФ локализуется в особых структурах клетки — в мезосомах или в митахондриях. В энергетическом отноше­нии дыхание — значительно более выгодный процесс, чем брожение.

Как указывалось ранее, в процессе брожения синтез АТФ происходит лишь путем субстратного фосфорилирования. Полезный эффект состоит в образовании двух молекул АТФ. Макроэргическая фосфатная связь АТФ содержит энергии около 4,2 • 10⁴ Дж. Следовательно, при использовании одного моля глюкозы (потенциальный запас энергии 2,87 • 10" Дж) в клетках анаэробов запасается всего лишь около 0,09 • 10" Дж. Большая часть энергии остается в выделяемых в среду орга­нических веществах — конечных продуктах брожения, часть теряется и в форме тепловой энергии.

У аэробов в процессе дыхания при полном окислении одного моля глюкозы синтезируется значительно больше

молей АТФ.

Установлено, что при продвижении по дыхательной цепи пары атомов водорода (пары электронов) к атому кислорода — при образовании молекулы воды — синтезируется три моля АТФ (см. схему дыхательной цепи, рис. 21).

Из приведенной схемы цикла Кребса (см. рис. 20) видно, что окисление одного моля пировиноградной кислоты сопровождается отнятием пяти пар атомов водорода. В про­цессе окисления участвует два моля пировиноградной кис-лоты. Кроме того, при гликолизе глюкозы до пнровиноград-ной кислоты образуется 2НАД • Н₂. Следовательно, в дыхательную цепь поступает 12 пар атомов водорода — синтези­руется 12 х 3 = 36 молей АТФ. Два моля АТФ образуется еще при гликолизе в реакциях фосфорилирования на уров­не субстрата. Всего, таким образом, синтезируется 38 молей АТФ, т. е. резервируется около 1,6 • 10'' Дж.

Аэробы полезно используют около 50% энергии (зак­люченной в моле глюкозы) и около 50% теряется и виде тепла. Этим и объясняется явление самосогревания навоза, зерна, круп, рыбной муки, клубней картофеля, когда вслед­ствие повышенной влажности в них обильно развиваются различные микроорганизмы.

При самосогревании зерновая масса приобретает не свойственные здоровому зерну запах и цвет. Происходит потеря массы, значительно снижаются всхожесть, технологичес­кие качества зерна и может быть полностью потеряна по­требительская ценность продукта.

Самосогревание торфа, недостаточно просушенного сена, хлопка и других материалов, возникающее при мас­совом развитии микроорганизмов, иногда приводит к само­возгоранию.

У некоторых микроорганизмов наблюдается выделение неиспользованной энергии в форме световой. Такой способностью обладают некоторые бактерии, грибы, протисты. Свечение морской воды, сгнившего дерева, рыбы объясняется присутствием в них светящихся микроорганизмов.

ГЛАВА 5. ВАЖНЕЙШИЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ, И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

 

Микроорганизмы обладают высокой биохимической ак­тивностью. В процессе обмена веществ они осуществляют самые разнообразные химические реакции, в результате которых образуются ценные вещества: спирты, кислоты, эфиры, витамины и др. Эти продукты жизнедеятельности микробов используются в медицине, промышленности, быту. Многие биохимические процессы, вызываемые микроорга­низмами, применяются в пищевой и легкой промышленнос­ти; велика их роль и в круговороте веществ в природе.

Ниже рассматриваются преимущественно микробиоло­гические процессы, используемые при переработке пищевого сырья или обусловливающие порчу пищевых продук­тов. Другие процессы описываются кратко.

Превращение безазотистых органических веществ

Анаэробные процессы

Спиртовое брожение

Спиртовым брожением называется процесс превраще­ния микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ:Превращениебезазотистых органических веществ

С₆Н₁₂О₆ =2СН₃СН₂ОН +2СО₂

Возбудителями спиртового брожения являются дрож­жи. Спиртовое брожение могут вызвать некоторые мицели-альные грибы, однако при этом образуется значительно меньше спирта (5—7%). Брожение с образованием спирта и углекислого газа вызывают и некоторые бактерии, но по количественному соотношению между конечными и побоч­ными продуктами, а также характеру побочных продуктов бактериальное спиртовое брожение отличается от броже­ния, вызываемого дрожжами.

Связь спиртового брожения с жизнедеятельностью дрож­жей была отмечена еще в начале XIX в., но окончательно установлена Л. Пастером в 1857 г.

Большое значение в изучении спиртового брожения имело открытие "бесклеточного" брожения — соком из дрож­жей, не содержащим дрожжевых клеток. На основании это­го был сделан вывод, что в дрожжевом соке содержится какое-то активное вещество — фермент, которое еще Бух-нер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования показали, что зимаза является комплексом ферментов.

Химизм спиртового брожения. Приведенное выше уравнение спиртового брожения выражает его лишь в общем суммарном виде. Спиртовое брожение для дрожжей является процессом получения энергии в анаэробных усло­виях.

В гл. 2 указывалось, что любое брожение протекает как бы в две стадии: первая — окислительная — включает пре­вращение глюкозы до пировппоградпон кислоты с образова­нием двух молекул восстановленного НАД • Н₂— промежу­точного акцептора водорода:

С₆Н₁₂О₆ --- 2СН₃СОСООН + 2НАД^. Н₂

а во второй стадии — восстановительный — НАД • Н₂ передает водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения.

Дрожжи обладают ферментом пируватдекарбоксплазон, который катализирует реакцию декарбоксилированпя ппро-виноградной кислоты с отщеплением СО₂ и образованием уксусного альдегида:

2СН3СОСООН --- 2СН₃ СНО + 2СО₂

Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль ко­нечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с НАД • Н₂ он при участии фермента алькогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД • Н₂ регенери­руется (окисляется) в НАД:

2СН₃ СНО + НАД • Н₂ --- 2СН₃ СН₂ ОН + 2НАД.

Реакция восстановления уксусного альдегида в этило­вый спирт завершает спиртовое брожение.

С энергетической точки зрения брожение — процесс малоэкономичный; выше указывалось, что при сбражива-нии грамм-молекулы глюкозы синтезируется всего 2 моля АТФ. Недостаток выделяющейся при брожении энергии дрожжи возмещают за счет переработки большого количества сахара.

Наряду с главными продуктами брожения в небольшом количестве образуются побочные продукты: глицерин (1- 3%), уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, си­вушные масла — смесь высших спиртов (изоамилового, изо-бутилового, амилового, н-пропилового и др.) и некоторые другие вещества.

Образование дрожжами высших спиртов связано с азот­ным и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напит­ков спиртового брожения.

Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: хими­ческий состав среды, ее концентрация и кислотность, тем­пература и др.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов — преимущественно сахарозу и мальтозу. Пентозы могут использовать лишь некоторые виды дрожжей.

 

Крахмал дрожжи не сбраживают, так как они не име­ют амилолитических ферментов.

Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей от 10 до 15%.  При повышении концентрации сахара энергия брожения¹ снижается, а при 30—35% брожение обычно почти прекращается, хотя в при­роде встречаются дрожжи, способные вызвать медленное брожение сахара даже при концентрации его до 60% и выше.

Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли; используются также аминокис­лоты и пептиды.

Нормально брожение протекает в кислой среде при рН, равной 4-5. В щелочной среде направление брожения из­меняется в сторону увеличения выхода глицерина.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при тем­пературе около 30°С, а при 45-5О°С оно прекращается, так как дрожжи отмирают. При снижении температуры бро­жение замедляется, но полностью не прекращается даже при температурах, близких к 0°С.

По характеру брожения дрожжи подразделяют на верховые и низовые.

Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, проте­кает бурно и быстро при температуре 20-28°С. На поверхности бродящей жидкости образуется много пены, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных сосудов рыхлым слоем.

Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает спокойнее и медленнее, особенно если оно протекает при сравнительно низких температурах — 4-10°С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи не вы­носятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро осе­дают на дно бродильных емкостей.

Этиловый спирт, накапливающийся в процессе броже­ния, неблагоприятно влияет на дрожжи. Его угнетающее действие проявляется уже при концентрации 2-5% в зависимости от вида и расы дрожжей. В большинстве случаев брожение прекращается при 12—14% (объемных) спирта. Не­которые расы дрожжей более спиртоустойчивы и образуют 16—18% спирта. Получены расы, продуцирующие до 20% спирта.

Спиртовое брожение протекает нормально в анаэробных условиях, при этом дрожжи почти не размножаются. В среде, богатой кислородом, дрожжи ведут себя как аэробные организмы и активно размножаются.

Практическое значение спиртового брожения. Процесс спиртового брожения лежит в основе виноделия, пиво­варения, хлебопечения, производства этилового спирта и глицерина. Совместно с молочно-кислым брожением оно ис­пользуется при получении некоторых кисло-молочных продуктов (кумыса, кефира), при квашении овощей. Однако спонтанно (самопроизвольно) возникающее спиртовое бро­жение в сахаросодержащих продуктах (фруктовых соках, сиропах, компотах, варенье и др.) вызывает их порчу — забраживание.

Производство этилового спирта. При производстве эти­лового спирта для пищевых целей используют крахмалосодержащее сырье — картофель, зерно злаков, отходы крах-мало-паточных заводов и сахаросодержащее сырье — ме­лассу (черную патоку) — отход свеклосахарного производства, а также сахарную свеклу. Для получения техническо­го спирта используют гидролизаты древесины и сульфитные щелока — отходы бумажных производств.

Из крахмалосодержащего сырья путем разваривания готовят затор, который подвергают осахариванию. Источни­ком осахаривающих (амилолитических) ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зерен яч­меня, или грибной солод — ферментный препарат из грибов рода Азрег^Шиз.

В зерновом и грибном солоде, кроме амилаз, содержатся протеолитические ферменты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотсодержащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат, называемый суслом, содержащий помимо сахара и другие питательные вещества для дрожжей.

При использовании мелиссы, сульфитных щелоков и гидролизатов древесины для улучшения питательной цен­ности в них вносят источники фосфора и азота. Мелласу, кроме того, разводят водой для снижения в ней концентра­ции сахара, солей и других веществ и подкисляют серной

кислотой. Подготовленные сахаристые заторы подвергают брожению.

Применяемые  дрожжи предварительно выращивают в аэробных условиях на стерильных  питательных сахарсодержащих заторах, подкисленных серной кислотой или заква­шенных мелочно-кислыми бактериями (обычно палочкой Дельбрюка).

В производстве спирта, как и в других, основанных на спиртовом брожении производствах, подбирают специаль­ные расы дрожжей, обладающие необходимыми для данно­го производства свойствами.

Применяют расы верховых дрожжей  Saccharomyces cerevisiae, быстро размножающиеся, спиртоустойчивые, с высокой энергией брожения, устойчивые к высокому содер­жанию в среде сухих веществ.

По окончании процесса брожения дрожжи отделяют от сброженного затора (бражки), а спирт отгоняют на специ­альных перегонных аппаратах. Получается спирт-сырец и остается отход производства — барда. Барду используют как питательную среду для выращивания кормовых дрожжей, а спирт-сырец — для технических целей или подвергают очи­стке от примесей, т. е. ректификации. Отработанные дрож­жи выпускают в виде жидких и сухих кормовых дрожжей, а в отдельных производствах — в виде прессованных пекарских.

В процессе сбраживания заторов совместно с культур­ными (производственными) дрожжами могут развиваться попадающие извне (из воздуха, сырья, аппаратуры) посто­ронние микроорганизмы. Специфические условия — кислая реакция заторов, анаэробность, наличие образующегося при брожении спирта — неблагоприятны для развития многих микробов, однако молочно-кислые бактерии и некоторые дикие дрожжи способны развиваться в этих условиях. Они используют питательные вещества среды, угнетают произ­водственные дрожжи продуктами своего обмена, при этом выход спирта снижается.

Использование спиртового брожения в хлебопечении, производстве алкогольных, слабоалкогольных напитков, некоторых кисло-молочных продуктов изложено в гл. 7.

Мелочно-кислое брожение

Молочно-кислое брожение — это превращение сахара молочно-кислыми бактериями в молочную кислоту. Наряду с этим основным продуктом брожения в большем или мень­шем количестве образуются побочные продукты.

По характеру брожения различают две группы молоч­но-кислых бактерий: гомоферментативные и гетерофермен-

тативные.

Гомоферментативные (однотипно-бродящие) бактерии образуют в основном (не менее 85—90%) молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Этот тип молочно-кислого брожения можно представить следующим общим уравне­нием:

С₆Н₁₂О₆- 2СН₃СНОНСООН.

Гетероферментативные (разнотипно-бродящие) бактерии — менее активные кислотообразователи. Наряду с мо­лочной кислотой они образуют значительное количество других веществ — этиловый спирт, углекислый газ, некото­рые еще уксусную кислоту; есть и такие, которые, кроме того, продуцируют четырехуглеродные соединения — аце-тоин (СН₃СНОНСОСН₃) и диацетил (СН₃СОСОСН3), облада­ющий своеобразным приятным ароматом.

В зависимости от условий развития (рН, температуры, степени аэробности и др.) характер конечных продуктов бро­жения может меняться у одного и того же вида молочных бактерий.

Химизм молочно-кислого брожения. Процесс превра­щения глюкозы до пировиноградиои кислоты у гомофермен-тативных молочно-кислых бактерий протекает по гликоли-тическому пути. Далее, ввиду отсутствия у этих бактерий фермента пируватдекарбоксилазы, пировиноградная кисло­та не подвергается расщеплению: в этом брожении она яв­ляется конечным акцептором водорода.

Пировиноградная кислота при участии фермента лактикодегидрогеназы восстанавливается в молочную, а НАД • Н₂ окисляется в НАД:

СН₂СОСООН + НАД • Н₂ = СН₃СНОНСООН + НАД.

Превращение глюкозы гетероферментативными бактериями происходит по-иному, что обусловливается своеобразием комплекса ферментов у этих бактерий. Из-за отсутствия у них фермента альдолазы изменяется начальный путь превращения глюкозы. После фосфорилирования гексоза окисляется (отщепляется водород) и декарбоксилируется (от­щепляется СО₂), превращаясь в пентозофосфат. Последний  расщепляется  на  фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат. Фосфоглицериновый альдегид, как и у гомоферментативных молочно-кислых бактерий, превращается в пировиноградную кислоту, которая затем восстанавливается в мо­лочную. Ацетилфосфат дефосфорилируется и превращается в уксусную кислоту или восстанавливается (через уксусный альдегид) в этиловый спирт. Таким образом, конечным ак­цептором водорода в этом типе брожения служат пировиноградная кислота и уксусный альдегид.

Возбудители молочко-кислого брожения. Молочно­кислые бактерии имеют круглую, слегка овальную или па-лочковидную форму. Диаметр кокков варьируется у отдель­ных видов от 0,5 до 1,5 мкм. Кокки располагаются попарно или цепочками (стрептококки) различной длины. Размеры палочковидных бактерий колеблются от 1 до 8 мкм. Клетки одиночные или объединены в цепочки.

Все молочно-кислые бактерии неподвижны, не образу­ют спор, грамположительны, не имеют фермента каталазы, являются факультативными анаэробами, есть микроаэ-рофилы. Палочковидные бактерии в большей степени, чем стрептококки, предпочитают анаэробные условия. Молочно­кислые бактерии сбраживают моно- и дисахариды, однако используют не любой дисахарид. Некоторые из них не сбра­живают сахарозу, другие — мальтозу, существуют не использующие лактозу. Крахмал и другие полисахариды молочно-кислые бактерии не сбраживают. Некоторые, преимущественно гетероферментативные, бактерии используют пентозы и лимонную кислоту.

Различные виды молочно-кислых бактерий образуют неодинаковое количество кислоты, что обусловлено различной их кислотоустойчивостыо. Преобладающее большин­ство гомоферментативных палочковидных бактерий продуцирует кислоты больше (до 2-3,5%), чем стрептококки (около 1%). Поэтому палочковидные молочные бактерии могут развиваться при рН 4,0-3,8; кокковые формы при такой кислотности среды не развиваются. Наилучшая бродильная активность палочковидных бактерий проявляется при рН 5,5-6,0.

Большинство молочно-кислых бактерий, особенно го-моферментативные палочковидные, очень требовательны к составу питательной среды и хорошо развиваются только при наличии различных аминокислот или еще более слож­ных органических соединений азота. Только немногие могут усваивать соли аммония. Большинство нуждается и в вита­минах (в частности, В₁, В₂, В₆, РР, пантотеновой и фолиевой кислотах). Поэтому выращивают молочно-кислые бакте­рии на сложных питательных средах.

Благодаря высокой чувствительности к отдельным ами­нокислотам и витаминам молочно-кислые бактерии исполь­зуют в качестве "живых реактивов" при определении со­держания этих веществ в различных субстратах.

Молочно-кислые бактерии обладают, протеолитической активностью. У разных видов эта способность проявляется в неодинаковой степени; более активны палочковидные фор­мы. Молочно-кислые бактерии легко переносят высушива­ние, устойчивы к СО₂ и этиловому спирту; многие виды существуют при содержании в среде до 10-15% и более спирта. Некоторые молочно-кислые бактерии устойчивы к ЫаС1. выдерживания концентрацию до 7-10%; более того, из мясных рассолов выделены (Л. А. Мельниченко) солеус-тойчивые штаммы, размножающиеся при 20%-ной концентрации NаС1.

По отношению к температуре молочно-кислые бактерии можно подразделить на мезофглльные — с оптимумом роста 25-35°С и термофильные — около 40-45°С. Отдельные молочно-кислые бактерии холодоустойчивы и могут раз­виваться при относительно низких положительных темпе­ратурах (5°С и ниже). При нагревании до 60-80°С они гиб­нут в течение 30-10 мин, но имеются и термоустойчивые формы, сохраняющиеся при нагревании до 85°С в течение нескольких минут.

Молочно-кислые мезофильные бактерии довольно хо­рошо переносят замораживание, при этом стрептококки бо­лее устойчивы, чем палочковидные формы.

Некоторые молочно-кислые бактерии образуют слизь, при их развитии жидкие субстраты становятся тягучими.

Установлено, что проявляемые молочно-кислыми бак­териями антагонистические по отношению ко многим сап­рофитным и болезнетворным бактериям (возбудителям ки­шечных заболеваний, стафилококкам) свойства обусловле­ны не только продуцированием кислот, но и выделяемыми ими специфическими антибиотическими веществами.

В природных условиях молочно-кислые бактерии встре­чаются на различных растениях, на разлагающихся расти­тельных остатках, на многих пищевых продуктах (плодах, овощах, в молоке, квашеной капусте и др.). В больших ко­личествах обнаруживаются они в желудочно-кишечном трак­те животных и человека. Кишечные кокковые формы назы­вают энтерококками или фекальными стрептококками.

Кокковые формы молочно-кислых бактерий относятся к семейству Streptoсоссасеае, родам Streptoсоссus и Pediococcus (гомоферментативные) и Leuconostos (гетероферментатив­ные), а палочковидные формы — к семейству Lactobacillaceae, роду Lactobacillus

Наиболее важными в техническом отношении предста­вителями гомоферментативных молочно-кислых бактерий

являются следующие:

Молочно-кислый стрептококк (Streptoсоссus lactis) — кокки, соединенные попарно или короткими цепочками (рис. 21, а). Это мезофилы, при температуре 25—30^оС моло­ко свертывается через 10—12 ч. В среде накапливают до 1% кислоты. Минимальная температура развития 10^оС, мак­симальная — от 40 до 45°С. Некоторые расы образуют анти­биотик низин.

Рис. 21. Молочно-кислые бактерии:

а - Streptoсоссus lactis: б – Streptoсоссus thermophilus, в-  Lactobacillus acidophilus

Близкий по свойствам к Streptoсоссus lactis его подвид Streptoсоссus lactis, subsp. diacetilactis способен, кроме сахаров, сбраживать соли ли­монной кислоты с образованием ацетоина и диацетила, что обусловливает ароматичность продуктов, в которых разви­вается этот стрептококк.

Сливочный стрептококк (S. cremoris) — сферические клетки, образующие длинные цепочки. Этот мезофильный стрептококк — неактивный кислотообразователь. Лучше ра­стет при 25^оС:  минимальная температура развития 10^оС, мак­симальная — 36-39°С. Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин.

Термофильный стрептококк (Streptoсоссus thermophilus) — длин­ные цепочки кокков (см. рис. 21, б), хорошо развивается при 40-45°С; минимальная температура роста 15°С.

Эти виды молочно-кислых стрептококков широко исполь­зуются при приготовлении разнообразных кисло-молочных продуктов.

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

Ацидофильная палочка (Lactobacillus acidophilus) — термофильная бактерия (см. рис. 21, в). Температурный оптимум роста 37— 40^оС, минимум — около 20"С. При сквашивании в молоке накапливается до 2,2% кислоты. Некоторые способны к сли-зеобразованию. Используется в производстве ацедофильных кисло-молочных продуктов.

Ацедофильные палочки вырабатывают антибиотические вещества, активные в отношении возбудителей кишечных заболеваний. Из чистых культур ацидофильных бактерий изготовляют биопрепараты, применяемые в медицинской практике, а также в животноводстве для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний сельскохозяй­ственных животных.

Дельбрюковская палочка — зерновая термофильная па­лочка (L. delbrueckii), встречается поодиночке и цепочками. Не сбраживает лактозу, поэтому в молоке не развивается. Образует в субстрате до 3,5% кислоты. Применяется в про­изводстве молочной кислоты и в хлебопечении.

Молочно-кислая мезофильная палочка (L. plantarum) — небольшие палочки, часто сцепленные попарно или цепоч­кой. Температурный оптимум около 30"С. Накапливают до 1,3% кислоты. Это основной возбудитель брожения при ква­шении овощей и силосовании кормов.

Из гстсроферментативных молочно-кислых бактерий к технически важным следует отнести следующие.

Lactobacillus brevis — палочковидные бактерии, сбра-живающие сахара при квашении капусты и огурцов с обра­зованием кислот (молочной и уксусной), этилового спирта и СО,

   Leuconostoc cremoris — удлиненные кокки одиночные, парами или короткими цепочками. При сбраживании лимон­ной кислоты образуют диацетил. Температурный оптимум 20-25°С. Этот лейконосток; вводится в закваски для арома­тизации продуктов.

Некоторые виды Leuconostoc являются активными слизеобразователями. В субстратах, содержащих сахарозу, образует много "клейкого" полисахарида декстрина; при этом субстрат приобретает густую слизистую консистенцию.

Нетипичное (гетероферментативое) молочно-кислое бро­жение осуществляют также бактерии рода Bifidobacterium, относящиеся к актиномицетам (ранее их относили к молочно-кислым бактериям). Они сбраживают глюкозу с образова­нием молочной и уксусной кислот. Это прямые или разветв­ленные палочки, не образующие спор, неподвижные, стро­гие анаэробы.

Бифидобактерии — обитатели кишечника человека и животных. Они способны продуцировать органические кисло­ты и антибиотические вещества и являются антагонистами гни­лостной и болезнетворной кишечной микрофлоры человека.

Практическое значение молочко-кислого брожения. Молочно-кислые бактерии широко применяются в различ­ных отраслях промышленности, но особенно велика их роль в молочной промышленности (см. гл. 7).

Большое значение эти бактерии имеют при квашении овощей, силосований кормов (растительной массы) для животных в хлебопечении, особенно при изготовлении ржа­ного хлеба. Положительные результаты дают исследования по использованию молочно-кислых бактерий при изготовле­нии некоторых сортов колбас, солено-вареных мясных изде­лий, а также при созревании слабосоленой рыбы для уско­рения процесса и придания продуктам новых ценных качеств (вкуса, аромата, консистенции и др.).

Промышленное значение имеет также применение мо­лочно-кислых бактерий для получения молочной кислоты, которую используют в консервной, кондитерской промыш­ленности и в производстве безалкогольных напитков.

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

Пропииново-кислое брожение

Пропионово-кислое брожение — это превращение са­хара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и ук­сусную кислоты с выделением углекислого газа и воды:

С₆Н₁₂О₆ --- 4CН₃ СН₂ СООН + 2СН3СООН+2СО₂ + 2Н₂0;

ЗСН ₃СНОНСООН--- 2СН₃СН ₂СООН + СН₃СООН + СО₂ + Н₂0.

Некоторые пропионово-кислые бактерии образуют, кро­ме того, немного других кислот (муравьиную, янтарную, изовалериановую).

При пропионово-кислом брожении превращение глюко­зы до пировиноградной кислоты протекает также по глико-литическому пути. В дальнейшем пировиноградная кислота, претерпевая ряд превращений, восстанавливается в пропио­новую. Брожение вызывают бактерии, относящиеся к семей­ству Ргоpionibacteriасеае, роду Ргоpionibacteri um. Это непод­вижные, бесспоровые, грамположительные палочки, слегка искривленные. В неблагоприятных условиях развития клетки нередко принимают булавовидную форму (рис. 22).

 

Рис. 22. Пропионово-кислые бактерии

Пропионово-кислые бактерии требовательны к пище (источнику азота и витаминов). Большинство не развивают­ся при рН среды ниже 5,0-4,5. Они факультативные анаэробы, но могут переносить лишь низкое парциальное дав­ление кислорода.

Оптимальная температура их развития 30-35°С; 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.

Пропионово-кислое брожение является одним из важ­ных процессов при созревании сычужных сыров.

Пропионовая кислота и ее соли служат ингибиторами мицелиальных грибов и могут быть использованы для пре­дотвращения плесневения продуктов. Некоторые виды, на­пример P. Freudenreichii subsp.shermanii, применяют для получения витамина В₁₂.

Масляно-кислос брожение

Масляно-кислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара мясляно-кислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода, по уравнению:

С₆Н₁₂О₆ --- СН₃СН₂СН,СООН + 2СО₂ + 2Н₂.

В качестве побочных продуктов брожения при этом по­лучаются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, ук­сусная кислота.

Химизм масляно-кислого брожения. При этом брожении сахар претерпевает те же превращения, что и при спир­товом и гомоферментативом молочно-кислом брожениях, вплоть до образования пировиноградной кислоты. Пирови-ноградная кислота при участии кофермента А(КоА) расщепляется до ацетилКоА (СН₃СОКоА), СО₂ Н₂,. Две молекулы образовавшегося двууглеродного соединения конденсируются при участии фермента карболигазы. Из синтезированного че­тырехуглеродного соединения (ацетоацетилКоА) в сложном цикле последовательных превращений образуется масляная кислота.

Возбудители масляно-кислого брожения. Масляно-кислые бактерии представляют собой подвижные довольно крупные грамположительные палочки, они образуют споры, которые располагаются центрально или ближе к концу палочки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки (рис. 23). Споры довольно термоустойчивы, выдерживают кипячение в течение нескольких минут.

Рис. 23. Масляно-кислые бактерии

Особенностью этих бактерий является наличие в клет­ках запасного вещества — крахмалоподобного полисахари-да гранулезы (в виде зернышек-гранул), окрашиваемого йодом в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет.

Эти бактерии — строгие анаэробы. Оптимальная темпе­ратура их развития 30-40°С, но есть и термофильные, у которых оптимум 70°С. Они чувствительны к кислотности сре­ды: оптимум рН 6,9-7,4, а при рН ниже 4,5-4,9 развитие прекращается.

Масляно-кислые бактерии относятся к семейству Bacillaceae рода 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. Они могут усваивать азот как белковый и ами­нокислотный, так и аммонийный; некоторые виды исполь­зуют даже свободный азот из воздуха.

Масляно-кислые бактерии широко распространены в природе. Постоянные места обитания их — почва, илистые отложения на дне водоемов, скопления разлагающихся рас­тительных остатков. Встречаются они в различных пищевых продуктах.

Практическое значение масляно-кислого брожения.

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

Масляно-кислое брожение применяют для производства масляной кислоты, которую широко используют в промыш­ленности. Сырьем в этом производстве служат сахар или крахмалосодержащие отходы различных отраслей промыш­ленности.

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

Брожение пектиновых веществ

В тканях растений пектины входят в состав клеточных стенок и срединных пластинок между отдельными клетками. Под воздействием пектолитических ферментов микроорга­низмов, развивающихся в растительном пищевом сырье, 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 масляно-кислого брожения с образованием кислот уксусной и масляной, СО₂ и водорода. Все эти процессы приводят к мацерации (распаду) пораженных оО-ьсктоп и другим видам повреждений.

Возбудителями брожения являются спорообразующие анаэробные, подвижные бактерии рода Clostridium.

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

Пектиновое брожение лежит в основе процесса маце­рации лубоволокнистых прядильных растений (льна, коноп­ли и др.) при их водяной мочке на льнозаводах. Цель броже­ния — отделение находящихся в стеблях этих растений пуч­ков целлюлозных волокон от других тканей, с которыми они склеены пектином.

Брожение клетчатки

Клетчатка (целлюлоза) является основным веществом клеточных стенок растений. Брожение клетчатки состоит в разложении ее в анаэробных условиях палочковидными спорообразующими бактериями рода Clostridium. Обладая фер­ментами целлюлазой и целлобиазой, они гидролизуют клет­чатку до глюкозы. Глюкозу они сбраживают с образованием кислот (уксусной, молочной, муравьиной), этилового спир­та, СО₂ и Н_2. Среди этих бактерий есть мезофилы и термо­филы. Биохимическая деятельность бактерий имеет большое значение в круговороте углерода в природе.

Аэробные процессы

  Окисление этилового спирта до уксусной кислоты

Уксусная кислота образуется из этилового спирта в про­цессе дыхания уксусно-кислых бактерий:

СН₃СН₂ОН + О₂ -> СН₃СООН + Н₂0.

Химизм процесса. Уксусно-кислые бактерии обладают ферментом алкогольдегидрогеназой. Окисление этилового спирта протекает в две стадии: первым промежуточным со­единением является уксусный альдегид, который затем окис­ляется в уксусную кислоту.

106 Глава 3. Биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами

Возбудители процесса — ускусно-кпслые бактерии — бесспоровые палочки, грамотрицательные, строгие аэробы. Среди них есть подвижные и неподвижные формы. Они кис­лотоустойчивы и некоторые могут развиваться при рН среды около 3,0; оптимальное значение рН — 5,4-6,3г

Уксусно-кислые бактерии отнесены к двум родам:

Gluconobacter (Аcetomonas) — палочки с полярными жгути­ками, не способные окислять уксусную кислоту, и Acetobacner— перитрихи, способные окислять уксусную кислоту до СО₂ и воды.

Уксусно-кислые бактерии различаются размерами кле­ток, устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и другими признаками. Например, А. acete накапливает в среде до 6% уксусной кислоты, А. acete subsp. orleanensis — до 9,5, А. acete subsp. xylinum — до 4,5%. А. acete выдерживают до­вольно высокую концентрацию спирта — до 9-11%, А. acete subsp. xylinum — лишь 5-7%.

Растут уксусно-кислые бактерии в интерв<