Спиртовое брожение. Гомоферментативное молочнокислое брожение. Гетероферментативное брожение. Муравьинокислое брожение.

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 21.12.2024

Материалы и оборудование: микроскопы, предметные стекла, покровные стекла, спиртовки, спирт, культура дрожжей, колба емкостью 250 мл, 10 % раствор сахарозы, пробка с изогнутой трубкой, водяная баня (35–40 °С), пробирка с насыщенным раствором Са(ОН)₂, 1% раствор фенола, 1% раствор хлорного железа, кефир, капустный рассол, накопительная культура клостридий, раствор Люголя.

Прокариоты могут получать энергию двумя путями: за счет дыхания или за счет брожения.

Брожение – это анаэробный процесс превращения органических веществ, при котором АТФ образуется за счет субстратного фосфорилирования, а продукты расщепления субстрата могут одновременно служить как донорами, так и акцепторами водорода.

В зависимости от конечного продукта различают спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, муравьинокислое, пропионовокислое брожение.

Спиртовое брожение

Общее уравнение спиртового брожения можно записать следующим образом: С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2 Ф_н → 2 СН₃СН₂ОН + 2 СО₂ + 2 АТФ

Энергетический выход спиртового брожения составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Спиртовое брожение вызывают различные микроорганизмы. Это могут быть прокариоты (Zymomonas, Erwinia, Sarcina) и эукариоты (Aspergillus, Saccharomyces). В отечественной промышленности для производства спирта и в хлебопечении чаще всего используют дрожжи Saccharomyces. В Японии для производства рисовой водки сакэ используют плесневый гриб кодзи (Aspergillus oryzae), а в Мексике используют Zymonomonas mobilis для сбраживания сока агавы в ходе приготовления текилы.

При изучении брожения на дрожжах Карл Нейберг показал, что при добавлении особых химических веществ состав продуктов брожения меняется. В соответствии с этим выделяют три формы сбраживания по Нейбергу:

Вторая форма сбраживания по Нейбергу используется в промышленности для получения глицерина. Наличие третьей формы сбраживания по Нейбергу следует учитывать при производстве вин. Нужно контролировать рН, поскольку при подщелачивании среды начинается образование уксусной кислоты.

Также для дрожжей были открыты эффекты Пастера и Кребтри.

Эффект Пастера: В аэробных условиях брожение прекращается и начинается процесс дыхания.
Эффект Крэбтри: В аэробных условиях может идти процесс брожения, но при определенных условиях: необходима высокая концентрация сахара (1,5 — 2,5 %).

Определение продуктов спиртового брожения

Определение углекислого газа

В колбу емкостью 250 мл наливают 50 мл 10 % раствора сахарозы вносят 10 мл исследуемой дрожжевой суспензии. Колбу плотно закрывают пробкой с изогнутой трубкой и помещают на водяную баню (35–40 °С). Нижний конец трубки погружают в пробирку с насыщенным раствором Са(ОН)₂ (рис. 10). Через несколько минут в пробирке с известковой водой начинают поступать пузырьки газа. Следят за выделением пузырьков и помутнением жидкости. Известковая вода начинает интенсивно мутнеть за счет образования карбоната кальция.

приготовить препарат основного возбудителя спиртового брожения – дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
провести качественную реакцию на углекислый газ.

Молочнокислое брожение

При молочнокислом брожении пируват, образующийся при катаболизме глюкозы, восстанавливается NADH-зависимой дегидрогеназой до лактата (молочной кислоты), что и дало название данному типу брожения.

При молочнокислом брожении углеводы могут катаболизироваться разными способами, в связи с чем принято выделять «гомоферментативное брожение» и «гетероферментативное брожение». При гомоферментативном брожении глюкоза метаболизируется по пути гликолиза, а при гетероферментативном – по пентозофосфатному пути.

В случае гомоферментативного брожения из одной молекулы глюкозы образуется две молекуля АТФ, и единственным конечным продуктом является молочная кислота:

Такой тип брожения характерен для Lactobacillus acidophilus, L.delbrueckii, L.salivarius, Sporolactobacillus inulinus, Streptococcus lactis и др.

При гетероферментативном брожении помимо молочной кислоты образуется ряд других продуктов: уксусная кислота, этанол и углекислый газ. Именно за счет гетероферментативного брожения при производстве кефира в нем может содержаться до 2% этанола. Гетероферментативные молочнокислые бактерии делятся на факультативных (L.casei, L.plantarum, L.sake, Leuconostoc mesenteroides и др.) и облигатных (Lactobacillus brevis, L.kefir, L.fermentum и др.). У первых имеется полный набор ферментов гликолиза, однако адаптивно не синтезируются два ключевых фермента: фруктозо-1,6-бисфосфат-альдолаза и триозофосфатизомераза. В случае облигатных гетероферментативных молочнокислых бактерий данные ферменты полностью отсутствуют.

Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Bifidobacterium преобладают в микробиоте желудочно-кишечного тракта грудных детей, и продукты осуществляемого ими брожения подавляют рост гнилостной микрофлоры. В коровьем молоке отсутствует N-ацетилглюкозамин, который является для этих бактерий незаменимым фактором роста. В настоящее время при дисбактериозе, вызванном, например, приёмом антибиотиков, назначают пробиотики, содержащие молочнокислые бактерии. Кроме того, бактерии рода Lactobacillus, обитающие во влагалище, за счёт образования молочной кислоты предотвращают размножение патогенной микрофлоры

Молочнокислое брожение используется в приготовлении различных продуктов на основе молока. Для приготовления сметаны используются мезофильные бактерии Streptococcus lactis и Streptococcus cremoris, йогуртов — термофильные Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, ацидофилина — Lactobacillus acidophilus, творога, мягких сыров и сливочного масла — Lactobacillus casei, которая вызывает сворачивание белка казеина. Для производства кефира используется симбиотический комплекс из лактобактерий, стрептококков и дрожжей («кефирный гриб»). Спонтанное образование простокваши вызывает Lactobacillus delbrueckii, постоянно присутствующая в молоке.

Поскольку молочная кислота является естественным консервантом, молочнокислое брожение используется при квашении овощей, засолке огурцов, в заквасках для ржаных сортов хлеба, при производстве высших сортов сырокопчёных колбас, а также для получения чистого лактата. С помощью молочнокислого брожения осуществляют заготовку кормов путем силосования.

Качественная реакция на молочную кислоту

Принцип метода. Молочная кислота с реактивом Уффельмана (фенол + хлорное железо) дает желто-зеленое окрашивание, вследствие образования молочно-кислого железа.

Порядок выполнения работы.

В две пробирки наливают по 1 мл 1% раствора фенола и добавляют по каплям 1% раствор хлорного железа до появления фиолетовой окраски. В одну из пробирок добавляют по каплям кефир, а в другую капустный рассол до появления желто-зеленой окраски. Изменение окраски свидетельствует о наличии молочной кислоты.

приготовить препараты молочнокислых бактерий из кефира, йогурта, капустного рассола.
провести качественную реакцию на молочную кислоту с реактивом Уффельмана.

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение протекает в соответствии с уравнением: 4 С₆Н₁₂О₆ + 3 АДФ + 3 Ф_н → 3 СН₃СН₂СН₂СООН + 8 Н₂ +2 СН₃СООН + 8 СО₂ +3 АТФ

Энергетический выход маслянокислого брожения составляет три молекулы АТФ.

Возбудители маслянокислого брожения принадлежат к роду Clostridium. Это облигатные анаэробы с метаболизмом исключительно бродильного типа. Способны сбраживать углеводы, спирты, аминокислоты, пурины и ряд других соединений.

По используемым субстратам клостридии подразделяются на сахаролитические (гидролизуют полигликозиды: крахмал, пектин и целлюлозу) и протеолитические (гидролизуют белки и пептиды). К сахаролитическим клостридиям относится C.pasteurianum, к протеолитическим – C.hystoliticum. Некоторые клостридии могут быть одновременно сахаролитическими и протеолитическими.

Получение накопительной культуры клостридий

Нарезать небольшими ломтиками нечищеный сырой картофель.
Колбы объемом 50 мл заполнить ломтиками картофеля на 1/3.
Помещают в колбы по 1 г почвы.
Для нейтрализации среды (препятствует закислению среды) прибавить небольшое количество карбоната кальция (CaCO₃) или мела.
Смесь залить кипятком на 2/3 и закупорить пробкой с газоотводной трубкой.
На газоотводную трубку надеть пробирку для сбора газов и поместить в воду.
Инкубировать систему в термостате при температуре +32 0 С в течение 2-7 суток

Качественные реакции на маслянокислое брожение. Качественная реакция на масляную кислоту.

Получение маслянокислого железа (реакция с FeCl₃).

Масляная кислота реагирует при нагревании с FeCl₃ с образованием маслянокислого железа. В пробирку наливают 3-5 мл сброженной жидкости, добавляют 1-2 мл 5%- ного хлорида железа и нагревают на пламени. Реакция идет по уравнению: CH₃(CH₂)₂COOH + FeCl₃ = [CH₃(CH₂)₂COO]Fe + 3HCl

Раствор маслянокислого железа в отраженном свете приобретает буровато-коричневое окрашивание, а в проходящем свете — кроваво-красное.

Качественная реакция на водород

Снимают пробирку для сбора газов с газоотводной трубки, держа ее донышком вверх. К горлышку пробирки подносят горящую спичку. Водород взрывается с небольшим хлопком.

Микроскопическое исследование маслянокислых бактерий

В исследовании жидкости при микроскопировании обнаруживают главным образом Clostridium pasteurianum, подвижные палочки с закругленными концами, одиночные и парные. В клетках этих бактерий содержится гранулеза. В старых культурах у одного из концов клетки обнаруживают спору.

Для определения гранулез в клетке бактерий готовят препарат «Раздавленная капля».

Спиртовое брожение. Гомоферментативное молочнокислое брожение. Гетероферментативное брожение. Муравьинокислое брожение.

Спиртовое брожение включает превращение пирувата в С02 и этанол. В течение многих веков способность дрожжей (особенно Saccharomyces cerevisiae) утилизировать глюкозу в анаэробных условиях с высоким выходом этанола и углекислоты применяют в пивоварении и виноделии. Аналогично дрожжам образует этанол Sarcina ventriculi. Бактерии кишечной группы, молочнокислые бактерии и клостридии образуют этанол в качестве побочного продукта сбраживания сахаров.

Гомоферментативное молочнокислое брожение (образуется практически только один продукт — молочная кислота) характерно для многих стрептококков и лактобацилл. Конечный продукт — молочная кислота — составляет не менее 90% всех продуктов брожения. В зависимости от стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы (фермент, переводящий один изомер в другой), могут образоваться различные изомеры молочной кислоты (D, L) или их смесь (DL-молочная кислота).

Гетероферментативное брожение (образуется смесь различных продуктов) характерно для бифидобактерий и молочнокислых бактерий, для рода Leuconostoc. Оно приводит к образованию молочной и уксусной кислот в ряде сходных процессов. Конечными продуктами могут быть дополнительно С02 и этанол, а при сбраживании фруктозы — маннитол.

Муравьинокислое брожение. Этот тип брожения выделяют на том основании, что характерный, хотя и не главный продукт брожения — муравьиная кислота. Часто этот тип называют брожение смешанного типа, поскольку, кроме формиата, образуется ряд других органических кислот. Так, для большинства членов семейства Enterobacteriaceae характерно выделение муравьиной и других кислот. Индивидуальные признаки брожения, осуществляемого кишечной палочкой, — расщепление пирувата с образованием ацетил-КоА и формиата, разложение формиата на углекислоту и молекулярный водород, восстановление ацетил-КоА до этанола, и, в отличие от Enterobacter aerogenes, отсутствие способности образовывать из пирувата ацетоин и 2,3-бутандиол.

- Вернуться в оглавление раздела "Микробиология."

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение считается эволюционно одним из самых древних и примитивных типов брожения. По характеру самого процесса и образующимся конечным продуктам различают гомо- и гетероферментативное молочнокислое брожение.

В основе гомоферментативного молочнокислого брожения лежит гликолетический цикл сбраживания гексозы с образованием двух молекул пировиноградной кислоты. Последняя, выступает конечным акцептором водорода, восстанавливается до молочной кислоты. Этот процесс можно выразить следующим уравнением:

Энергетический выход гомоферментативного молочнокислого брожения невелик и составляет всего 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы.

Процесс ведут гомоферментативные молочнокислые бактерии, способные сбраживать 85 – 98% сахара, находящегося в среде, до молочной кислоты. Морфологически они представлены кокками, относящимися к родам Streptococcus и Pediococcus, палочковидными формами обширного рода Lactobacillus. Все бактерии этой группы по методу Грамма окрашиваются положительно, спор не образуют, неподвижны. По отношению к кислороду аэротолерантны, т.е. способны расти при доступе кислорода. Молочнокислые бактерии характеризуются низкими биосинтетическими способностями. Источником углерода для них служат молочные или растительные сахара и редко некоторые пентозы, сахароспирты и органические кислоты. Низкие биосинтетические способности этой группы бактерий свидетельствуют о примитивности их конструктивного метаболизма.

В основе гетероферментативного молочнокислого брожения лежит пентозофосфатный путь сбраживания гексоз или пентоз с образованием молочнокислой кислоты и ряда других продуктов – уксусной кислоты, этиленового спирта, глицерина и углекислого газа:

Облигатные гетеротрофные молочнокислые бактерии лишены ключевых ферментов гликолетического пути – альдолазы и триозофосфатизомеразы. К этой группе относятся бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc и Bifidobacterium. Некоторые молочнокислые бактерии способны вести как гомо-, так и гетероферментативное молочнокислое брожение, сбраживая гексозы по гликолитическому, а пентозы по пентозному пути.

Молочнокислые бактерии весьма широко распространены в природе. Они легко выделяются из молока и всех молочных продуктов, с поверхности растений и разрушающихся растительных масс, из почвы и ризосферы растений, из желудка и кишечника животных и человека.

С незапамятных времен молочнокислые бактерии находят применение в различных отраслях хозяйственной деятельности человека – для приготовления кисломолочных продуктов, сливочного масла, сыра, квашения овощей и т.д.

Для производства кисломолочных продуктов в разных географических широтах используют различные виды молочнокислых бактерий. Так, на севере в закваску для простокваши входят в основном кокковые формы Streptococcus lactis и S. cremoris; на юге в закваске простокваши преобладает болгарская палочка (Lactobacillus bulgaricus).

Закваски некоторых национальных кисломолочных продуктов (кефира, кумыса, йогурта) представлены исторически сложившимися симбиотическими комплексами молочнокислых бактерий и дрожжей. Молочнокислые бактерии сбраживают лактозу молока с образованием 0,8–1% молочной кислоты, дрожжи ведут спиртовое брожение и сбраживают лактозу с образованием 1%-ного этилового спирта.

Молочнокислые бактерии играют важную роль в приготовлении сыров. В основе сыроварения лежит коагуляция казеинамолока под действием сычужного фермента, получаемого из желудка жвачных жживотных. Образовавшиеся сгустки казеина отделяют от молочной сыворотки, пресуют, выдерживают в растворе соли и оставляют на созревание. Во время созревания в сырной массе идут сложные процессы превращения казеина в аминокислоты под влиянием ферментов.

В процессах квашения овощей и силосования кормов принимают участие многочисленные спонтанные расы гомо- и гетеро-ферментативных молочнокислых бактерий.

Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Bifidobacterium являются обитателями кишечника животных и человека, нередко они составляют от 50 до 90% микробного населения в фекалиях человека.

Многие молочнокислые бактерии способны синтезировать вещества, обладающие антибиотическими свойствами (лактолин, низин, бревин, диплококкцин и др.). На этом свойстве молочнокислых бактерий основано их антагонистическое действие на гнилостные и болезнетворные микроорганизмы в кишечнике человека и животных.

Спиртовое брожение

Процесс спиртового брожения проходит по гликолитическому пути до образования пировиноградной кислоты. Далее при участии ключевого фермента спиртового брожения – пируватдекарбоксилазы – происходит декарбрксилирование пировиноградной кислоты. В результате образуются ацетальдегид и углекислый газ.

Образовавшийся ацетальдегид выступает конечным акцептором и под действием НАД + -зависимой алькогольдегидрогеназы восстанавливается до этиленового спирта. Донором водорода, как и при молочнокислом брожении, служит 3-фосфоглицериновый альдегид.

Суммарно процесс спиртового брожения можно выразить следующим уравнением:

Энергетический выход процесса составляют 2 молекулы АТФ на
1 молекулу сброженной глюкозы. Отличие спиртового брожения от молочнокислого заключается в различной природе конечного акцептора водорода.

Спиртовое брожение лежит в основе ряда промышленных производств – виноделия, получения спирта, пивоварения, хлебопечения. На Европейском континенте в промышленности используют различные расы сахаромицетных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, Sacch. Vini), на Американском континенте – различные расы схизосахаромицетов.

Среди прокариот к активному спиртовому брожению способны Erwinia amylovora, Zymomonas mobilis, Sarcina vintriculi. Последняя используется в промышленном производстве для получения этилового спирта в странах Востока.

Маслянокислое брожение. Маслянокислое брожение проходит в строго анаэробных условиях и ведут его облигатно-аэробные бактерии рода Clostridium.

Этот тип брожения следует рассматривать как один из вариантов усложненного брожения, в основе которого лежит гликолитический путь сбраживания углеводов до пировиноградной кислоты. Характерной особенностью маслянокислого брожения является реакция конденсации с образованием С_4- – соединения (масляной кислоты). В результате из пировиноградной кислоты образуются уксксный альдегид, муравьиная и уксусная кислота, нередко этиловый спирт. Муравьиная кислота распадается до СО₂ и Н₂, а реакция конденсации ацетальдегида приводит к образованию масляной кислоты. Суммарно процесс маслянокислого брожения можно выразить следующим уравнением:

Энергетический выход данного процесса составляет 3,3 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы. Процесс маслянокислого брожения очень лабилен и зависит от состава питательной среды и стадии развития культуры микроорганизма.

Маслянокислые бактерии рода Clostridium многочисленны и гетерогенны. Морфологически они представлены крупными палочками. В молодой культуре палочки подвижны, тип жгутикования перитрихиальный. По мере старения клетки формируют эндоспоры. Спорангии переходного типа – от клостридиального к плекридиальному, форма спор сферическая или овальная.

По типу использования углесодержащих веществ маслянокислые бактерии подразделяются на сахаролитические и протеолитические. Сахаролитические виды (Cl. Butyricum, Cl. Pasteurianus, и др.) сбраживают различные соединения углеводной природы: пектин, целлюлозу, крахмал, хитин и т.д. Протеологические клостридии (Cl. Hutrificum, Cl. Sporogenes,
Cl. Histolyticum) в качестве сбраживаемого субстрата используют белки, аминокислоты, пурины, пиримидины.

Различные виды маслянокислых бактерий в природе ведут самые разнообразные процессы: аэробную аммонификацию органических азотсодержащих веществ, анаэробное разложение растительных остатков – пектина и клетчатки.

Маслянокислые бактерии нередко причиняют вред, вызывая порчу продуктов – прогоркание масла, сметаны, и т.д.

Одной из разновидностей маслянокислого брожения является ацетоно-бутиловое брожение. Основные продукты – бутиловый, этиловый и изопропиловый спирт, ацетон и газ СО₂ и Н₂. Суммарно этот процесс брожения может быть выражен следующим уравнением:

Выход продукта брожения обуславливается составом питательного субстрата, условиями рН среды, температурой, а также видом маслянокислых бактерий, ведущих брожение. Этот вид маслянокислого брожения широко используется в современном производстве для получения дифицитных реактивов – ацетона и бутилового спирта из любого крахмалсодержащего сырья.

Рассмотрев суть процессов брожения на конкретных примерах, подчеркнем еще раз, что этот тип анаэробного окисления является наиболее примитивным способом получения энергии. Среди царства прокариот анаэробное окисление присуще многочисленной и разнообразной группе микроорганизмов. Однако только небольшая часть их может быть названа первичными анаэробами. Большая часть ныне существующих анаэробов имеет вторичное происхождение, связанное с адаптацией их к анаэробным условиям среды и утратой способности к анаэробному окислению с использованием молекулярного кислорода. Примером таких микроорганизмов может служить микрофлора кишечника. В целом анаэробные прокариоты и в современную эпоху занимают широкие экологические ниши – глубинные слои почвы и воды, придонные илы морей и океанов, нефтяные скважины и т.д.

1.2.2. Гомоферментативное молочнокислое брожение

Гомоферментативное молочнокислое брожение является единственным способом получения энергии группой молочнокислых бактерий, которые при сбраживании глюкозы образуют от 85 до 90 % молочной кислоты. Такой тип брожения вызывают молочнокислые бактерии подродов Thermobacterium и Streptobacterium. Суммарно процесс брожения можно выразить в виде следующего уравнения:

Гомоферментативное молочнокислое брожение, так же как и спиртовое, протекает по фруктозодифосфатному пути до пирувата, который принимает на себя водород окисляемого субстрата и под действием фермента НАД-зависимой лактатдегидрогеназы превращается в молочную кислоту:

С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃–СО–СООН 2 CH₃–CHOH–COOH

глюкоза пируват лактатдегидрогеназа лактат

В процессе как спиртового, так и гомоферментативного молочнокислого брожения можно выделить три типа биохимических реакций:

– перестройку углеводного скелета (расщепление 6-углеродного соединения до двух 3-углеродных);

Как видно из суммарного уравнения, с точки зрения энергетического выхода процессы спиртового и гомоферментативного молочнокислого брожения одинаковы.

1.2.3. Гетероферментативное молочнокислое брожение

Гетероферментативное молочнокислое брожение протекает по окислительному пентозофосфатному пути (рис. 1.7). При гетероферментативном молочнокислом брожении образуются органические кислоты (молочная и уксусная), этанол, СО₂, глицерин и др. Особенностями этого брожения являются участие в процессе НАДФ + в качестве акцептора водорода и окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты, что приводит к образованию пентоз (рибулозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата). Образовавшиеся при расщеплении пентоз С₃- и С₂-фрагменты фосфокетолазной реакции претерпевают дальнейшие преобразования. 3-фосфоглицериновый альдегид в ходе ферментативных реакций, идентичных гликолитическому пути, превращается в молочную кислоту – лактат. Двухуглеродный фрагмент (ацетилфосфат) либо двухступенчато восстанавливается до этанола, либо окисляется до уксусной кислоты.

Преобладание в среде ферментации того или иного продукта зависит от вида культуры, условий культивирования, фазы развития. Гетероферментативные молочнокислые бактерии вида Leuconostoc mesenteroides сбраживают глюкозу с накоплением эквимолярных количеств лактата, этанола и диоксида углерода:

глюкоза лактат этанол

У других гетероферментативных молочнокислых бактерий, главным образом из подрода бетабактерий, которые используются в хлебопечении, в значительно больших количествах накапливается уксусная кислота.

1.3. Пропионовокислые бактерии

В 1962 г. К.Е. Бартенева предложила использовать для подавления картофельной болезни хлеба пропионовокислые бактерии, являющиеся сильными антагонистами картофельной палочки.

Пропионовокислые бактерии объединены в семейство Propioni-bacteriaceae, род Propionibacterium. Типовым представителем рода является вид Propionibacterium freudenreichii (назван по имени швейцарского бактериолога Эдварда Фрейденрайха). В группу классических пропионовокислых бактерий входят также виды P. jensenii, P. thoenii, P. acidipropionici.

Пропионовокислые бактерии представляют собой мелкие полиморфные палочки размером (1,0–5,0)(0,5–0,8) мкм. Форма клеток бывает кокковидной, булавовидной, разветвленной. Клетки располагаются чаще всего одиночно, иногда парами, в виде китайских иероглифов или букв V или Y. Пропионовокислые бактерии грамположительны, неподвижны, не образуют спор и капсул. Некоторые штаммы могут образовывать внеклеточную слизь, однако она не формируется в виде четкой капсулы.

Большинство пропионовокислых бактерий являются аэротолерантными анаэробами, получающими энергию в процессе брожения. Аэротолерантность этих бактерий обусловлена наличием у них ферментов, защищающих клетку от токсических форм кислорода: каталазы, пероксидазы и супероксиддисмутазы. Пропионовокислые бактерии могут синтезировать гемсодержащие белки, в их клетках обнаружены цитохромы. Важную роль в метаболизме пропионовокислых бактерий играет так называемое «флавиновое дыхание», в процессе которого происходит перенос двух электронов с флавопротеидов на молекулярный кислород, сопровождающийся образованием пероксида водорода. Однако энергетическая эффективность окислительного фосфорилирования у этих бактерий крайне низка, и основным способом получения энергии у них является пропионовокислое брожение.

Пропионовокислые бактерии обитают в кишечном тракте жвачных животных, встречаются в молоке, твердых сырах, силосе, забродивших маслинах.

Пропионовокислые бактерии расщепляют глюкозу по гликолитическому пути до пирувата с последующим образованием пропионовой и уксусной кислот и диоксида углерода согласно суммарному уравнению

3 6Н₁₂О₆ 4 СН₃ –СН₂–СООН + 2 СН₃–СООН + 2 СО₂ + 2 Н₂О

глюкоза пропионовая уксусная кислота кислота

Особенностью пропионовокислого брожения является реакция присоединения к молекуле пирувата диоксида углерода, что приводит к образованию 4-углеродного соединения, т. е. С₃ + С₁ = С₄. В реакции карбоксилирования пирувата участвует биотинзависимый фермент, у которого биотин выполняет функцию переносчика СО₂ (рис. 1.8).

Последовательность реакций, показанных на рис. 1.8, приводит к образованию пропионовой кислоты. Однако пропионовокислое брожение – процесс более сложный, так как, помимо пропионовой кислоты, продуктами брожения являются уксусная, янтарная кислоты и диоксид углерода. Из схемы брожения видно, что янтарная кислота является промежуточным продуктом, но она может накапливаться в среде и как конечный продукт.

Кроме основных продуктов, в культуральной жидкости пропионовых бактерий накапливаются вторичные метаболиты – молочная, муравьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бактерий, состава среды и условий культивирования.

Накапливающиеся в процессе пропионовокислого брожения продукты формируют определенный вкус и запах хлебобулочных изделий.

Процессы брожения под воздействием микроорганизмов

Важнейшими биохимическими процессами, вызываемыми микроорганизмами, являются различные виды брожения - спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое и др.

Брожение - это анаэробное разложение углеводов на конечные продукты, которые более не разлагаются. Этот процесс происходит без участия молекулярного кислорода. У различных микроорганизмов продукты брожения различны и зависят в основном от набора ферментов и условий протекания процесса.

Спиртовое брожение.

Спиртовое брожение протекает в анаэробных условиях или при ограниченном доступе воздуха. Необходимую для жизнедеятельности энергию дрожжи получают, расщепляя углеводы на спирт и СО₂, т. е. в ходе самого процесса брожения. Пригодны для спиртового брожения простые сахара с 6 углеродными атомами в молекуле - гексозы. Возбудители спиртового брожения - дрожжи семейства Сахаромицетес (сахарные грибы) и некоторые виды плесневых грибов. При наличии кислорода дрожжи ведут себя как аэробные организмы и необходимую энергию получают в результате дыхания, окисляя сахара до СО₂ и воды. Спиртовое брожение лежит в основе технологии получения спирта, вина, пива, кваса и других продуктов. В общем виде процесс спиртового брожения выражается уравнением Гей-Люссака:

Превращение сахара в спирт в результате жизнедеятельности дрожжей является сложным ферментативным процессом. Он проходит ряд промежуточных стадий, каждая из которых вызывается особым ферментом. Большую роль в процессе спиртового брожения играет фосфорная кислота, обеспечивающая действие механизма переноса энергии. Спиртовое брожение возникает самопроизвольно там, где есть сахарсодержащие жидкости и нет доступа воздуха. Дрожжи практически всегда содержатся в субстрате или в окружающей среде.

Молочнокислое брожение.

Молочнокислое брожение представляет собой анаэробное превращение молочного сахара - лактозы под действием молочнокислых бактерий с образованием молочной кислоты. Этот вид брожения открыл и впервые описал Пастер. Процесс протекает по уравнению

С₆Н₁₂О₆ (Лактоза) -> 2СН₃СНОНСООН (Молочная кислота) + Энергия.

При этом брожении наряду с молочной кислотой образуются побочные продукты.

По характеру вызываемого брожения различают все группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные.

Гомоферментативные бактерии образуют при брожении только молочную кислоту как единственный продукт, гетероферментативные наряду с молочной кислотой образуют значительные количества побочных продуктов (уксусную кислоту, спирт, СО₂, водород и некоторые ароматические вещества).

При молочнокислом брожении превращение сахара протекает так же, как при спиртовом брожении, до образования пировиноградной кислоты. Далее химизм этих двух типов брожения расходится. При действии гомоферментативных молочнокислых бактерий пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту:

СН₃СОСООН + Н₂ (Пировиноградная кислота) -> СН₃СНОНСООН (Молочная кислота)

Процесс гетероферментативного молочнокислого брожения более сложен и менее изучен. Возбудители брожения - молочнокислые бактерии - анаэробные неподвижные микроорганизмы палочковидной или шарообразной формы. Многие отличаются большой кислото- и спиртоустойчивостью. По отношению к температуре среди молочнокислых бактерий есть как мезофилы (оптимум роста 25-30 °С), так и термофилы (оптимум роста около 45 °С). В природе молочнокислые бактерии встречаются в молоке, на различных растениях, овощах, плодах и в почве.

Молочнокислые бактерии применяют в промышленности для получения кисломолочных продуктов: простокваши, творога, сметаны, кефира, кислосливочного масла, ряженки, варенца, сыра и др. Их используют также для квашения овощей и силосования кормов.

Молочнокислое брожение происходит при приготовлении ржаного теста. Используют молочнокислые бактерии также для производства молочной кислоты, которая применяется для подкисления продуктов в консервной, кондитерской промышленности, в производстве безалкогольных напитков и др.

Попавшие извне молочнокислые бактерии и вызываемое ими самопроизвольное брожение может привести к порче ряда продуктов - закисанию вин, пива, фруктовых и ягодных соков.

Пропионовокислое брожение.

Этот вид брожения заключается в превращении сахара, молочной кислоты или солей в пропионовую и уксусную кислоты:

3С₆Н₁₂О₆ (Сахар) -> 4СН₃СН₂СООН (Пропионовая кислота) + 2СН₃СООН (Уксусная кислота) + 2СО₂ + 2Н₂О + Энергия;

3СН₃СНОНСООН (Молочная кислота) -> 2СН₃СН₂СООН (Пропионовая кислота) + СН₃СООН (Уксусная кислота) + СО₂ + Н₂О + Энергия.

Химизм пропионовокислого брожения схож с химизмом спиртового и молочнокислого: во всех случаях молочная кислота является как бы промежуточным продуктом.

Этот вид брожения вызывают пропионовокислые бактерии - короткие неподвижные бесспоровые палочки, грамположительные анаэробы. Оптимальная температура развития 30-35 °С.

Маслянокислое брожение.

Маслянокислое брожение представляет собой сложные процессы превращения сахара маслянокислыми бактериями и протекает в анаэробных условиях. Продуктами брожения являются масляная кислота, СО₂ и водород:

В качестве побочных продуктов при брожении образуются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт и уксусная кислота. Маслянокислые бактерии - подвижные, довольно крупные палочки, строгие анаэробы, образуют термоустойчивые споры. Оптимальная температура развития 30-40 °С. Бактерии чувствительны к кислой среде (оптимум рН 6,9-7,3).

Маслянокислые бактерии относятся к роду Клостридиум. Многие из них способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные углеводы: декстрины, крахмал, пектиновые вещества и др.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они постоянно обитают в почве, илистых отложениях на дне водоемов, скоплениях разлагающихся растительных остатков. Встречаются маслянокислые бактерии и в различных пищевых продуктах.

Маслянокислое брожение приносит значительный ущерб народному хозяйству, вызывая гибель картофеля и овощей, вспучивание сыра, порчу консервов (бомбаж), прогоркание масла и др. Маслянокислые бактерии могут вызвать также порчу заквашенных овощей - обильное выделение газов и острый запах масляной кислоты придают продукту неприятный вкус и запах.

Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты. Сырьем служит дешевое сахаросодержащее сырье: картофель, отходы крахмало-паточного производства и др.

Ацетонобутиловое брожение.

Этот вид брожения сходен с маслянокислым, но при нем образуется значительно больше бутилового спирта и ацетона. Кроме того, в процессе ацетонобутилового брожения накапливаются этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются СО₂ и водород. Возбудители брожения - спорообразующие подвижные палочки, анаэробы.

В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. Оба эти продукта брожения широко используют в химической промышленности.

Читайте также: