Разложение жиров и 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 при участии ферментов липаз на глице­рин и свободные Жирные кислоты. Продукты гидролиза под­вергаются дальнейшим превращениям. Глицерин использу­ется многими микроорганизмами и может быть полностью окислен до СО₂ и Н₂О.

Жирные кислоты окисляются медленнее, но и они, в первую очередь ненасыщенные, постепенно окисляются. Некоторые микроорганизмы, помимо липолитических фер­ментов (липаз), обладают окислительным ферментом — ли-поксигеназой, катализирующей процесс окисления кислоро­дом воздуха некоторых ненасыщенных жирных кислот. В результате образуются перекиси жирных кислот, легко под­вергающиеся дальнейшему окислению с образованием раз­личных промежуточных продуктов кето- и оксикислот, аль­дегидов, кетонов и других, придающих жиру специфичес­кие неприятные вкус (прогорклость) и запах.

Промежуточные продукты окисления жирных кислот в свою очередь могут быть использованы микроорганизмами в процессах их метаболизма и в конечном счете могут превра­титься в СО₂ и Н₂О.

Возбудителями процессов разложения жирам жирных кислот являются различные палочковидные бактерии, а так­же микрококки, многие мицелиальные грибы, некоторые дрожжи" и актиномицеты. Из бактерий очень активны бакте­рии рода Рзеийотоп аз, особенно продуцирующие пигменты. Из мицелиальных грибов значительной липолитической ак­тивностью обладают Oidium iactis. Cladosporiun herbarum, многие виды Aspergillus и Peniillus. Многие жирорасщепляющие микроорганизмы являются психротрофами, способными развиваться при низких положительных температурах.

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

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

Превращения азотсодержащих веществ

Гнилостные процессы

В метаболизме микроорганизмов азотсодержащие ве­щества подвергаются разнообразным превращениям.

Гниение — это процесс глубокого разложения белко­вых веществ микроорганизмами. Продукты разложения бел­ков микроорганизмы используют для синтеза веществ клет­ки, а также в качестве энергетического материала.

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

Белковые вещества не могут поступать непосредствен­но в клетки микроорганизмов, поэтому использовать белки могут только микробы, которые обладают протеолитическими ферментами — экзопротеазами, выделяемыми клет­ками в окружающую среду.

Процесс распада простых белков начинается с их гидро­лиза. Первичными продуктами гидролиза являются пептиды. Они поступают в клетку и гидролизуются внутриклеточны­ми протеазами до аминокислот.

Такие белки, как нуклеопротеиды, под действием гнилостных микробов расщепляются на белковый комплекс и нуклеиновые кислоты. Затем белки разлагаются до амино­кислот, а нуклеиновые кислоты распадаются на фосфорную кислоту, углеводы и смесь азотсодержащих оснований.

Лммнокислоты непосредственно используются микроор­ганизмами на синтез клетки или подвергаются ими дальней­шим изменениям, например дезаминированию, в результате чего образуются аммиак[6]' и разнообразные органические соединения. 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:

RСНМН ₂СООН + Н ₂0 -> RСНОНСООН + NН₃

RСНNН ₂СООН + Н ₂ O --- RCH ₂ОН + NH₃ + СО₂

При окислительном дезаминировании образуются кето-кислоты и аммиак:

RСНМН ₂СООН  + 1/20₂ ---. RСОСООН + NН₃;

При восстановительном дезаминировании образуются карбоновые кислоты и аммиак:

RСНМН ₂СООН   + 2Н --- RCH ₂ COОН + NН₃.

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, пропио-новая, 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 —СН₃SH). 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 СО₂. Например, лизин превращается в кадаверин: 

декарбоксилаза

                                      NH₂(CH₂) CHNH₂COOH————————— > NH₂(CH₂)₅NH₂+ СО₂.

Аналогично этому орнитин превращается в путресцин.

Кадаверин, путресцин и другие амины, образующиеся при гниении, часто объединяют под общим названием птомаины, (трупные яды). Некоторые производные птомаинов (нейрин, мускарин и др.) обладают ядовитыми свойствами.

Дальнейшая "судьба" азотистых и безазотистых орга­нических соединений, получающихся при распаде различ­ных аминокислот, зависит от окружающих условий и состав микрофлоры. Под воздействием аэробных микроорганизмов эти соединения подвергаются окислению, так что могут быть полностью минерализованы. В этом случае конечными про­дуктами гниения являются аммиак, углекислый газ, вода, соли серной и фосфорной кислот. В анаэробных условиях не происходит полного окисления промежуточных продуктов распада аминокислот. В связи с этим кроме NH₃ и СО₂, накап­ливаются различные, указанные выше органические соеди­нения, в числе которых могут быть вещества, обладающие ядовитыми свойствами, и вещества, сообщающие гниюще­му материалу отвратительный запах.

Возбудители гниения. Наиболее активными возбудителями гнилостных процессов являются бактерии. Среди них есть спорообразующие и бесспоровые, аэробные и анаэробные. Многие из них мезофилы, но есть холодоустойчивые и термостойкие. Большинство их чувствительно к кислотнос­ти среды и повышенному содержанию в ней поваренной соли.

Наиболее распространенными гнилостными бактериями являются следующие.

Сенная и картофельная палочки [7] — аэробные, подвиж­ные, грамположительные, спорообразующие бактерии (рис. 25). Споры их отличаются высокой термоустойчивостыо.

Рис. 26. а — Рчеиаотопаа; б

 

Температурный оптимум развития этих бактерий лежит в пределах 35-45°С, максимум роста — при температуре 55-60°С; при температуре ниже 5°С они не размножаются. Помимо разложения белков эти 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.

Бактерии рода Р seudomas — аэробные подвижные палочки с полярным жгутиком, не образующие спор, гра-мотрицательные (рис. 26, а).

Некоторые виды синтезируют пигменты, их называют флуоресцирующими псевдомонасами. Есть холодоустойчивые виды, минимальная температура роста которых от -2 до -5°С. Многие псевдомонасы, помимо протеолитической, облада­ют и липолитической активностью; они способны окислять углеводы с образованием кислит, выделять слизь. Развитие и биохимическая активность этих бактерий значительно тор­мозятся при рН ниже 5,5 и 5-6%-ной концентрации NaС1 в среде, Псевдомонасы широко распространены в природе, являются антагонистами ряда бактерий и мицелиальных гри­бов, так как образуют антибиотические вещества. Некото­рые виды РяеиДотопаз являются возбудителями болезней (бактериозов) культурных растений, плодов и овощей.

Протей (Ргоteus vulgaris) — мелкие грамотрицательные, бесспоровые палочки с резко выраженными гнилост­ными свойствами. Белковые субстраты при развитии в них протея приобретают сильный гнилостный запах. В зависимо­сти от условий жизни эти бактерии способны заметно ме­нять форму и размеры (рис. 26, б).

Протей — факультативный анаэроб; сбраживает угле­воды с образованием кислот и газа. Он хорошо развивается как при температуре 25°С, так и при 37°С, прекращает раз­множаться при температуре около 5-10°С, но может со­храняться и в замороженных продуктах.

Особенностью протея является его очень энергичная подвижность. Это свойство лежит в основе метода выявле­ния протея в пищевых продуктах и отделения его от сопут­ствующих бактерий. Некоторые виды выделяют токсичес­кие для человека вещества.

Clostridium putrificum (рис. 27, 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 разлагает с образованием большого количества газа (NH₃, Н₂S). Оптимальная температура развития 37-43°С, минимальная — 5°С.

 

Рис. 27. а— Clostridium putrificum; б — Clostridium sporogenes

Clostridium sporogenes (рис. 27, б) — анаэробная подвижная, спороносная палочка. Споры термоустойчивы, в клетке они расположены центрально. Характерным является очень быстрое образование спор. Эта бактерия сбражива­ет углеводы с образованием кислот и газа, обладает липолитическсй 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.).

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

Нитрификация

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

Процесс нитрификации протекает в две фазы, каждая из которых обусловлена деятельностью специализированных 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 имеют разнообразную форму клеток. Есть подвижные и неподвижные. Они гримотрицательные, облигатные аэробы, хемолитоавтотрофы. Органические вещества тормозят их развитие. Они чувствительны к кислой среде, развиваются при рН среды от 6,0 до 9,0;

живут в почве, природных водах.

Д енитрификация

Процесс восстановления окисленных форм азота (нит­ратов, нитритов) до окислов азота или молекулярного азота называется денитрификацией, а бактерии, осуществляю­щие его, — денитрифицирующими бактериями.

Большинство из них мезофилы, но есть термофилы. Они являются факультативными анаэробами. В аэробных усло­виях в процессе их дыхания конечным акцептором водорода выступает кислород. В анаэробных условиях в качестве окис­лителя органических веществ вместо молекулярного кисло­рода служат нитраты или нитриты, которые при этом вос­станавливаются.

Денитрифицирующие бактерии широко распростране­ны в почве, водоемах. Деятельность этих бактерий в почве отрицательна, так как азот нитратов, усваиваемый расте­ниями, переход в неиспользуемый ими свободный азот. Аэра­ция почвы задерживает денитрификацию.