Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 14.12.2024

Вызывается пропионовокислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium.

Единственным источником энергии для пропионовокислых бактерий является процесс сбраживания различных веществ: моносахаридов (гексоз, пентоз), молочной, яблочной кислот, глицерина и других в пропионовую и уксусную кислоту, диоксид углерода и воду.

Химизм пропионовокислого брожения:

глюкоза пропионовая уксусная

кислота кислота

Пропионовокислые бактерии - небольшие, неподвижные грамположительные палочки, не образующие спор, факультативные анаэробы. Обитают, в основном, в кишечном тракте жвачных животных и в молоке.

Практическое применение пропионовокислого брожения

Пропионовокислое брожение используется в сыроделии. Летучие кислоты (пропионовая и уксусная) придают сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков углекислый газ образует «глазки» в сыре.

У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина В, поэтому они используются в качестве продуцента в микробиологической промышленности для получения этого витамина.

11.4. Маслянокислое брожение. Химизм процесса. Возбудители. Практическое использование и роль в процессах порчи пищевых продуктов

Маслянокислое брожение - анаэробное окисление органических веществ маслянокислыми бактериями в масляную кислоту.

глюкоза масляная кислота

Возбудители маслянокислого брожения

Маслянокислые бактерии относятся к роду Clostridium. Это крупные, подвижные грамположительные палочки, образующие устойчивые споры, при образовании которых клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки, облигатные (строгие) анаэробы.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Обитают там, где много органических веществ и нет доступа воздуха - в иловых отложениях водоемов, навозе, почве и т.д.

Эти бактерии могут сбраживать многие углеводы, в т.ч. (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, целлюлозу), спирты (этиловый, маннит, глицерин) и аминокислоты. По характеру используемых субстратов маслянокислые бактерии делятся на две группы: сахаролитические клостридии, которые сбраживают в основном углеводы (Ctostridium butyricum) и протеопитические клостридии, которые разлагают белки и пептоны до аминокислот и затем их сбраживают (Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum).

Практическое значение маслянокислого брожения. Маслянокислое брожение используется в промышленности для получения масляной кислоты (продуцент Clostridium butyricum). Хотя масляная кислота обладает резким, неприятным запахом прогорклого масла, ее эфиры отличаются приятным ароматом: метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый - грушевый, амиловый - ананасный. Эфиры масляной кислоты используют в кондитерской, безалкогольной, парфюмерной промышленности.

Маслянокислые бактерии участвуют в круговороте веществ в природе. С другой стороны, маслянокислые бактерии могут вызвать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов, прогоркание масла и маргарина, увлажненной муки и других продуктов, чем наносят большой урон народному хозяйству. Борьба с маслянокислыми бактериями затруднена из-за высокой устойчивости спор.

Вопрос 31. Пропионово-кислое и маслянокислое брожение. Возбудители, условия, химизм.

Пропионово-кислое брожение —это превращение сахара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и уксусную кислоты с выделением СО2 и Н2О в анаэробных условиях. Пропионово-кислые бактерии обитают в рубце и кишечнике жвачных животных (коров, овец), образуя там пропионовую и уксусную кислоты. Пропионовые бактерии не встречаются в молоке, их не удается выделить из почвы и природных вод. Для получения накопительной культуры этих бактерий питательную среду с лактатом и дрожжевым экстрактом инокулируют швейцарским сыром и инкубируют в анаэробных условиях. В швейцарский сыр, в созревании которого пропионово-кислые бактерии играют важную роль, определяя его вкус, они попадают с сычужным ферментом, который применяется в процессе приготовления сыра для свертывания молока. Сычужный фермент добавляют в виде водного экстракта из телячьих желудков, который содержит множество жизнеспособных пропионово-кислых бактерий. Возбудители: Существует несколько видов пропионово-кислых бактерий, из которых наиболее известным являются Propionibacterium freudenrcichii и его подвиды P.shermanii и P.acidipropionici. Бактерии рода Propionibacterium представляют собой грамположительные неподвижные палочки, не образующие спор. Условия: Растут при температуре 14. 35 °С; при температуре 60. 70 °С погибают. Для развития требуют органические азотистые соединения типа белка, набор аминокислот и т.д. Показатель рН среды ниже 4,5. 5,0. Химизм: При развитии пропионово-кислых бактерий в сырной массе молочная кислота, которая образовалась молочнокислыми бактериями, превращается в пропионовую и уксусную кислоты. Выделение СО2 вызывает образование сырных глазков — пустот, а пропионовая и уксусная кислоты обусловливают своеобразный острый вкус и аромат сыра. Если консистенция сырного теста частичная, то глазки образуются круглые, правильной формы. Если сырное тесто хрупкое, то глазки имеют неправильную форму. При попадании в сыр газообразующих бактерий в большом количестве выделяется водород, который образует трещины и вспучивание сыра. Propionibact. acidipropionid способен образовывать витамин В12. Эту культуру используют в микробиологической промышленности для получения этого витамина. Пропионовую кислоту получают нефтехимическим путем и лишь незначительное количество — биосинтетическим. Она используется как ингибитор плесневых грибов в пищевой промышленности, при хранении зерна и хлеба. В концентрации 0,5. 1% пропионовая кислота задерживает рост плесневых грибов. Зерно, обработанное слабым раствором пропионовой кислоты, не плесневеет даже при повышенной влажности. Пропионовая кислота предотвращает плесневение хлеба. Ее вводят в хлеб вместе с тестом, для чего сначала готовят заквасочную культуру, в которую входят Propionibact. acidopronionici и Lactobact. brevis. Через трое суток культивирования закваски накапливается небольшое количество пропионовой, уксусной и молочной кислот. Эту закваску вносят в тесто. После выпечки хлеб содержит по 0,1 % пропионовой и уксусной кислот и 0,2 % молочной кислоты по отношению к массе муки. Это придает хлебу нежно-кислый вкус и предотвращает его плесневение.

Маслянокислое брожение — это сложный биохимический процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, диоксида углерода и водорода: Глюкоза -> масляная кислота + СО2 + Н2 + 63 кДж/моль. Масляная кислота является летучей жидкостью с очень неприятным запахом. Возбудители маслянокислого брожения широко распространены в природе и относятся к роду Clostridium (в дальнейшем Сl.), семейству ВасШасеае. Клетки грамположительные, палочковидные, форма клетки может изменяться в зависимости от условий среды. В молодом возрасте подвижны, имеют перитрихиальное жгутикование. Образует споры, диаметр которых бывает больше толщины клетки. Маслянокислые бактерии являются облигатными анаэробами, однако существуют все переходные формы: от строгих анаэробов (Cl. pasteurianum, Cl. kluyveri) до почти аэротолерантных (Cl. hisfolyticum, Cl. acetobutylicum]. Условия:Оптимальная температура роста 30. 40 "С, но есть термофильные виды с оптимальной температурой 60. 75°С (Cl. thermoaceticum, Cl thermohydrosulfucicum). Клостридии растут при нейтральной или щелочной реакции среды, поэтому нежелательный рост маслянокислых бактерий, например в квашеной капусте, силосе, фруктовых консервах, сырых колбасах, можно полностью подавить, если продукт подкислить. Клетки клостридий образуют специфическое запасное вещество — гранулезу в виде гранул. Химизм: Прототипом брожения, осуществляемого клостридиями, можно считать сбраживание глюкозы Cl. butyricum и Сl acetobutylicum с образованием масляной и уксусной кислот, бутанола, этанола, ацетона, СО2 и Н2. Выход продуктов варьирует в зависимости от условий брожения. Для получения масляной кислоты в промышленном масштабе используют крахмалсодержащее сырье: картофель, зерновые и др. Крахмал гидролизуют 0,4. 0,5%-ной серной кислотой. После нейтрализации среды известью и добавления азотсодержащих веществ в питательную среду вносят маслянокислые бактерии. Масляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с неприятным запахом, слабые растворы этой кислоты обладают специфическим сырным запахом. Эфиры масляной кислоты обладают приятными ароматами: метиловый имеет яблочный аромат, ггюговый — грушевый, амиловый — ананасовый. Эфиры масляной кислоты как ароматические вещества используют в кондитерской и парфюмерной промышленности, при изготовлении фруктовых напитков. Маслянокислые бактерии широко распространены в природе, особенно в почве, илистых отложениях на дне водоемов, в скоплениях разлагающихся растительных остатков. Cl. pasteurianiim описан С.Н.Виноградским как фиксатор атмосферного азота. Cl. lelsineum образует фермент пектиназу и энергично разлагает пектиновые вещества.

Это важно знать:

Рациональное познание и его формы Рациональное познание - это мышление человека, дающее возможность проникнуть в сущность предметов, вещей и явлений.
Имитационное моделирование Имитационное моделирование является мощным инструментом исследования поведения реальных систем.
Учебная мотивация и пути ее формирования Учебная мотивация определяется как частный вид мотивации, включенный в определенную деятельность, &ndash.
Виды шприцев и игл Для парентерального метода введения лекарственных средств используются шприцы типа «.
Виды, условия и формы оказания медицинской помощи Виды медицинской помощи: • первичная медико-санитарная помощь.

Быть довольным в жизни - это приобретение большее, чем BugattiVeyron. Потому что, кто приобрел BugattiVeyron, все равно остался недоволен. © Александр Дьяков ==> читать все изречения.

Виды брожений. Характеристика возбудителей. Значение в промышленности

Брожением называется анаэробный процесс превращения безазотистых органических веществ (главным образом углеводов) микроорганизмами, при котором происходит накопление продуктов неполного окисления (спиртов, органических кислот, углеводов и др.) и который сопровождается выделением энергии. Биологическое значение брожения заключается в образовании энергии для осуществления жизнедеятельности микроорганизмов подобно дыханию животных и растений.

Процессы брожения широко распространены в природе. Микроорганизмы, вызывающие брожение, совершают грандиозную биохимическую работу. С энергетической точки зрения процессы брожения крайне неэкономичны. Но возможно, продукты брожения являются, кроме того, орудиями борьбы между разными видами микробов за место своего обитания, так как микробы - возбудители брожения могут выдерживать большие концентрации продуктов брожения, чем другие виды.

Различают следующие виды брожения по характеру накапливающихся при брожении главных продуктов: молочнокислое, пропионовокислое, масляно-кислое, ацетоноэтиловое и ацетонобутиловое, анаэробное разложение клетчатки, которые вызываются различными бактериями, и спиртовое брожение, вызываемое главным образом дрожжами.

Аэробные процессы окисления вызываются бактериями и грибами Эти организмы имеют полный набор дыхательных ферментов, благодаря чему водород окисляемого вещества передается молекулярному кислороду, который всегда имеется в среде. Поэтому в энергетическом отношении эти процессы очень эффективны. К процессам окисления относятся: окисление этилового спирта в уксусную кислоту, окисление жиров, клетчатки, окисление углеводов плесневыми грибами, окисление углеводородов, молекулярного водорода и др.

Спиртовое брожение . Спиртовым брожением называется превращение микроорганизмами углеводов в этиловый спирт и углекислоту. Химическая схема спиртового брожения без учета промежуточных этапов выражается уравнением С₆Н₁₂О₆ = 2СН₃СН₂ОН + 2С0₂ + 27 ккал. Это брожение вызывается дрожжами, а также мукоровыми грибами.

Дрожжи, возбудители этого брожения, - факультативные анаэробы. Как источник азота они используют аминокислоты, пептон, а также аммонийные соли. При развитии в бескислородной среде они получают энергию за счет спиртового брожения, а в аэробных условиях - частично за счет окисления питательных веществ до углекислоты и воды. Это говорит о том, что дрожжевые клетки содержат очень сложный комплекс ферментов. При широком доступе кислорода у дрожжей помимо дыхания параллельно идет и процесс брожения - настолько ферменты дрожжей специализированы в направлении брожения.

Дрожжи широко распространены в природе. Они всегда встречаются на поверхности фруктов и ягод, на листьях. С опадающими фруктами и ягодами дрожжи попадают в почву, где перезимовывают, а затем опять попадают на растения вместе с пылью, а также заносятся насекомыми, птицами. Это гак называемые дикие дрожжи.

Спиртовое брожение широко используется в промышленности: в виноделии, пивоварении, винокурении и хлебопечении. В этих производствах употребляют культурные дрожжи, отличающиеся от диких дрожжей высокой производительностью.

Таблица 5. Схема диссимиляции глюкозы по Эмбдену-Мейергофу

Дрожжи имеют фермент карбоксилазу, под влиянием которого пировиноградная кислота распадается на углекислый газ и уксусный альдегид:

СН₃СОСООН = СН₃СНО + С0₂, из уксусного альдегида образуется спирт за счет восстановления активным водородом:

Современное производство спирта исходит из биологии дрожжей на основе микробиологической техники. Поэтому широко применяется стерилизация и микробиологический контроль. Если в затор (субстрат, подготовленный для брожения) попадут в большом числе бактерии, то они могут испортить все течение брожения.

Винный спирт в настоящее время готовится из различного сырья.

Так, брожению подвергаются следующие вещества:

1. Вещества, содержащие крахмал (рожь, ячмень, кукуруза, картофель) или сахара (свекла, сахарная патока). Дрожжи не имеют фермента для разложения крахмала, почему крахмал предварительно осахаривают солодом, содержащим фермент амилазу. Осахаренный затор подкисляют прибавлением молочнокислых бактерий, которые подавляют рост гнилостных, маслянокислых и других вредных бактерий.

По достижении достаточной кислотности молочнокислые бактерии убиваются нагреванием. Брожение ведется на чистых культурах дрожжей. Дрожжи при помощи фермента инвертазы переводят сахарозу в 6-моносахара, а последние сбраживаются в этиловый спирт (6-10°). По окончании брожения спирт отгоняется от барды и очищается от сивушных масел.

2. Гидролизаты образуются при обработке отходов древесины соляной и серной кислотами. В результате происходит осахаривание клетчатки древесины. К полученному суслу прибавляют азотнокислые и фосфорнокислые соли и винные дрожжи, уже приспособленные к брожению в этих условиях. Из одного кубического метра древесины получается 158 л винного спирта.

3. Сульфитные щелоки являются отходами производства целлюлозы. Из тонны щелоков получается около 5-10 л 96°-ного спирта.

4. В настоящее время этиловый спирт получают на крупных заводах синтетическим путем методом косвенной или прямой гидратации газа этилена. Этот чисто химический метод получения винного спирта из непищевого сырья очень экономичен.

Молочнокислое брожение.

Типичное молочнокислое брожение - процесс расщепления углеводов (лактозы, мальтозы, сахарозы, глюкозы и др.) с образованием молочной кислоты без побочных продуктов по уравнению С₆Н₁₂О₆ = 2С₃Н₆О₃ + 18 ккал.

В северных широтах возбудителем этого брожения обычно является молочный стрептококк, вызывающий естественное скисание молока. Оптимальная температура для него 30-35°. Вторая группа возбудителей типичного брожения - палочковидные бактерии. Из них болгарская палочка обычно вызывает естественное скисание молока в южных районах. Оптимальная температура для жизнедеятельности около 40°, условный анаэроб. В эту группу входит Thermobacterium cereale. Она приспособлена к усвоению углеводов растительного происхождения - мальтозы и др. Молочный сахар она не разлагает, используется при заводском получении молочной кислоты.

Химизм молочнокислого брожения. Первые этапы молочнокислого брожения идут, как и при спиртовом брожении. Но гомоферментативные молочнокислые бактерии не имеют фермента карбоксилазы, поэтому С. П. Костычев полагал, что пировиноградная кислота восстанавливается до молочной:

Но возможно, молочная кислота образуется из фосфоглицеринового альдегида путем одновременного окисления и восстановления, так как из пировиноградной кислоты при воздействии на нее ферментов из Thermobacterium cereale была получена не молочная, а уксусная кислота.

Бактерии нетипичного (гетероферментативного) молочнокислого брожения имеют фермент карбоксилазу, поэтому производят брожение с образованием молочной кислоты, уксусной кислоты, этилового спирта и газообразных продуктов - углекислоты. В эту группу входит Bact. brassicae, участвующая в квашении капусты. При засолке огурцов молочнокислое брожение вызывает Bact. cucumeris.

Широко распространена на разных растительных продуктах и вызывает скисание их Lactobacterium plantarum. Перечисленные бактерии широко распространены в природе - в почве, на различных растительных остатках. Вызываемое ими брожение имеет значение в минерализации растительных остатков в почве. Некоторые виды бактерий этой группы сбраживают не только гексозы, но и пентозы, которые имеются в растительных остатках в большом количестве в виде пентозанов.

Молочнокислое брожение вызывает кишечная палочка и близкая к ней Bact. lactis aerogenes. Это мелкие палочки, грамотрицательные, факультативные анаэробы. Они имеют большой набор различных ферментов. При брожении образуется: молочной кислоты около 40% от сброженного сахара, янтарной кислоты 20%, спирта и уксусной кислоты по 10% и газов 20%. Белки они разлагают по типу гнилостного распада. Присутствие этих бактерий в молочных продуктах говорит о их фекальном загрязнении.

Сметану получают прибавляя к сливкам чистую культуру молочнокислых бактерий Streptococcus cremoris.

Ацидофилин получают заквашиванием пастеризованного молока ацидофильной палочкой, выделенной из кишечника грудных детей. Эта палочка хорошо приживается в кишечнике, тогда как болгарская палочка, рекомендованная Мечниковым, в кишечнике приживается плохо.

Квашение овощей при быстром росте овощного хозяйства приобретает все большее значение. Овощи плотно закладывают в чаны, чтобы создать анаэробные условия. Благодаря прибавлению соли происходит плазмолиз и затем гибель клеток заквашиваемых овощей - капусты, огурцов, помидоров и пр. Они быстрее отдают в рассол сок, в частности сахара. Все это благоприятствует развитию молочнокислых бактерий и накоплению молочной кислоты. Дрожжи могут продуцировать спирт и эфиры, которые придают продуктам специфический аромат и вкус.

Молочнокислые бактерии и дрожжи играют существенную роль в приготовлении черного кислого хлеба. Молочнокислые бактерии хлебной закваски придают кислый вкус хлебу, препятствуют развитию маслянокислых и гнилостных микроорганизмов, а спиртовое брожение "поднимает" тесто.

Пропионовокислое брожение вызывается особыми пропионовокислыми бактериями. Они строгие анаэробы, грамположительны. Источником азота для них служат белковые вещества. Энергию получают при разложении Сахаров и солей молочной кислоты. Конечными продуктами брожения являются пропионовая и уксусная кислоты, а также СО₂ и Н₂О.

Они широко представлены в молочных продуктах, в почве, в кале животных и пр. Пропионовокислое брожение, а также и молочнокислое используется для получения сыров в молочно-сыродельных производствах. Сырная масса получается путем обработки молока сычужной закваской. Далее молочная сыворотка удаляется и сырная масса прессуется в котле.

В это время происходит усиленное молочнокислое брожение. Когда молочный сахар бывает весь использован, молочнокислые микробы прекращают свое размножение и постепенно отмирают. Теперь молочнокислое брожение сменяется пропионовокислым, при котором соли молочной кислоты превращаются в пропионовую и уксусную кислоты и сыр приобретает специфический вкус. Углекислота образует в сыре "глазки". Производство сыра продолжается 2-3 месяца минимум, лучшие сорта выдерживаются почти до года.

Масляно-кислое брожение. Биохимическая природа масляно-кислого брожения была установлена Луи Пастером (1861). Он доказал, что масляно-кислое брожение вызывается масляно-кислыми бактериями. При этом Пастер открыл новый тип окисления - анаэробный.

Масляно-кислые бактерии довольно крупного размера (3-12 мк). Имеют жгутики. Образуют споры, поперечник спор обычно больше поперечника самой палочки, и палочки со спорой приобретают вид веретена или барабанной палочки (булавки). Они строгие анаэробы. В качестве источника углерода и энергетического материала они используют углеводы, спирты, органические кислоты; в качестве источника азота - самые различные азотные соединения: пептон, аминокислоты, аммиачные соли, а некоторые из них даже азот атмосферы. Типичное брожение идет с образованием масляной кислоты, углекислоты и водорода по уравнению:

Возбудители масляно-кислого брожения чрезвычайно широко распространены в природе. До 90% почвенных образцов содержат эти бактерии. Они всегда находятся в водоемах, илах, навозе, молоке, сыре и пр. Масляно-кислое брожение наблюдается всюду, где происходит разложение органических остатков в анаэробных условиях. Оно играет большую роль в круговороте углерода.

Масляная кислота образуется также при бактериальном разложении белковых веществ. При дезаминировании аминокислот образуются аммиак и кислоты: масляная, уксусная, пропионовая и др., но в значительно меньших количествах, чем при брожении. В еще меньших количествах масляная кислота встречается среди продуктов жизнедеятельности организмов при расщеплении бактериями самых разнообразных органических веществ.

Масляная кислота, выделяемая при брожении, хорошо усваивается рядом других бактериальных видов.

Брожение пектиновых веществ. Растительные ткани, особенно кора растений и мякоть плодов, содержат в значительном количестве межклеточное вещество, называемое пектином (pectis - студень), цементирующее клетки в тканях. В почве стебли растений разлагаются различными микроорганизмами, причем в первую очередь разлагается паренхима коры, пропитанная пектином. Этот процесс брожения пектинов также является важным в круговороте углерода. Он способствует ускорению минерализации растительных тканей. После разрушения межклеточных веществ целлюлозные стенки отдельных клеток легче подвергаются действию целлюлозоразлагающих микробов.

На пектиновом брожении основана первичная обработка волокнистых растений - льна, конопли, джута, кенафа и др. - для отделения волокна от костры. Для этого производят мочку льна и других волокнистых растений в естественных стоячих водоемах, где в брожении принимают участие естественно живущие в них пектиноразлагающие анаэробы. Лучшие результаты дает искусственная мочка в заводских условиях с применением чистых культур бактерий.

Анаэробное разложение клетчатки. Огромное значение для круговорота углерода в природе имеет разложение клетчатки (целлюлозы). Половина всего углерода, находящегося на поверхности Земли, содержится в клетчатке. Клетчатка и лигнин совсем не усваиваются животными. А ежегодный прирост ее в составе растений огромный. Она составляет 50% сухого веса прироста, поэтому накапливалась бы в больших количествах на Земле, нарушая круговорот углерода. Клетчатка - очень стойкое органическое соединение и может быть разрушена только при действии очень сильных химических соединений.

Но в природе она легко разрушается и вовлекается в круговорот веществ под воздействием широко распространенных целлюлозоразлагающих микробов, впервые описанных В. Л. Омелянским в 1899 г. Он установил, что анаэробное разложение клетчатки вызывают Вас. cellulosae hydrogenicus и Вас. cellulosae methanicus. Обе эти палочки морфологически похожи друг на друга, анаэробы, образуют споры, содержат ферменты целлюлозу и целлобиазу. Конечные продукты обеих палочек - масляная и уксусная кислоты, углекислота, но первая палочка еще образует водород, а вторая метан. Некоторые авторы обе эти палочки относят к одному виду Вас. Omelianskii, полагая, что метан является вторичным продуктом водородного брожения клетчатки.

Брожение целлюлозы

Облигатные анаэробные бактерии, способные образовывать эндогенные споры, в настоящее время можно подразделить в зависимости от характера используемых ими субстратов и особенностей метаболизма на следующие физиологические группы: сахаролитические, протеоли-тические, пуринолитические и сульфатредуцирующие анаэробные бактерии.

Сахаролитические анаэробные бактерии способны сбраживать различные углеводы (органические кислоты и спирты, полисахариды, пектиновые вещества). Обычно конечными продуктами брожений являются органические кислоты, растворители (спирт, ацетон, бутанол и др.), углекислый газ и водород. Было установлено существование нескольких типов брожения.

Маслянокислое брожение осуществляют такие анаэробы, как Cl. butyricum, Cl. tyrobu-tyricum, Cl. lactoacetophilum, и другие виды. Главные продукты брожения — масляная и уксусная кислоты. Так, сбраживание глюкозы Cl. butyricum можно описать уравнением

4 глюкоза —> 2 уксусная кислота + 3 масляная кислота + 8С02+8Н2

Образование масляной кислоты происходит также, если в среду вместо углеводов вносить молочную кислоту вместе с уксусной. Уксусная кислота играет роль акцептора водорода. Образовавшиеся при маслянокислом брожении кислоты далее микроорганизмом не потребляются.

Ацетонобутиловое брожение представляет собой биохимически более сложный тип масля-нокислого брожения, в котором образовавшиеся на первой стадии жирные кислоты превращаются в нейтральные конечные продукты -ацетон, бутиловый и изопропиловый спирты. Если в первой фазе брожения увеличивается кислотность, то во второй фазе кислотность не только не возрастает, но даже уменьшается. Таким образом, за счет превращения кислот в нейтральные продукты регулируется рН среды (кислотность). Ацетонобутиловое брожение углеводов вызывается Cl. acetobutylicum и близкими к нему по физиологии видами.

Cl. butylicum осуществляет брожение, очень сходное по типу с ацетонобутиловым, но отличается тем, что вместо ацетона в этом случае образуется изопропиловый спирт.

Уксуснокислое брожение углеводов наблюдается у Cl. aceticum и Gl. thermoaceticum. Уксусная кислота — единственный продукт брожения.

Пропионовокислое брожение присуще С1. propionicum. В качестве основных продуктов образуются пропионовая и уксусная кислоты, а также углекислый газ.

Брожение пектиновых веществ (полиурониды) способны осуществлять анаэробные бактерии из различных систематических групп. В настоящее время известно около 18 видов кло-стридиев, способных разрушать пектиновые вещества. Наиболее активные пектинолити-ческие виды — Gl. felsineum, Cl. laniganii, Cl. pectinolyticum, Cl. pectinovorum, Cl. virens и другие пигментированные и непигментированные клостридии и плектридии. Имеются и факультативно-анаэробные формы — Cl. таcerans и Cl. polymyxa. Каждому из этих видов свойственны свои специфические детали обмена веществ, но общим их свойством является способность разлагать пектиновые вещества до органических кислот, спиртов и газов. Некоторые бактерии обладают очень стойкими пектинолитическими свойствами и выделяют пектинолитические ферментш на средах без пектиновых веществ. У других анаэробов (например, у Cl. multifermentans) синтез ферментов происходит только при добавлении в среды пектинов (индуцированный синтез ферментов).

Сбраживание сахаров пектинолитические анаэробы осуществляют по маслянокислому или ацетонобутиловому типу.

Большая группа высокоспециализированных анаэробных спорообразующих бактерий получает энергию за счет сбраживания целлюлозы. Конечными продуктами брожения являются уксусная, пропионовая, масляная и молочная кислоты, этиловый спирт, водород и углекислый газ. В качестве промежуточных продуктов при гидролизе целлюлозы образуются глюкоза и целлобиоза. И весьма удивительно, что если добавить к среде глюкозу (или другие сахара), то они очень плохо усваиваются либо совсем не используются. А если в среде имеются одновременно глюкоза и клетчатка, то сбраживается прежде всего клетчатка. Это свидетельствует о высокой специализации целлюлозоразлагаю-щих анаэробов.

Целлюлозолитические бактерии отличаются не только физиологическими, но и морфологическими особенностями. Большинство целлюлозолитических спорообразующих анаэробов имеют вид очень тонких длинных палочек, образующих споры по плектридиальному типу.

Обычно вегетативные клетки находятся в адсорбированном состоянии на волокнах целлюлозы (рис. 51). Вероятно, это связано с тем, что ферменты, гидролизующие клетчатку (целлюлазы), в среду не выделяются, а прикреплены к поверхности клеток. Под микроскопом можно увидеть, что разрушаются те участки клетчатки, к которым клетки непосредственно прикасаются. Спорообразующие клетки обычно находятся в растворе, так как при спорообразовании изменяется характер связи со средой, а спорообразование идет за счет эндогенного метаболизма (за счет внутриклеточных запасов питательных веществ).

Первая культура анаэробных спорообразующих бактерий, способная осуществлять брожение целлюлозы, была выделена В. Л. Омелянским. В литературе описано 12 видов целлюлозолитических анаэробов. Спорообразующие Целлюлозолитические анаэробы до настоящего времени очень плохо изучены в связи с трудностями их выделения и культивирования. Большинство выделенных штаммов были загрязнены посторонними бактериями, что значительно обесценивает данные по физиологии и биохимии этих организмов.

Брожение органических кислот и спиртов. Выделено несколько специализированных видов анаэробных бактерий (возможно, их в природе существует намного больше), использующих органические кислоты и спирты в качестве источника углерода и энергии.

Так, Cl. kluyveri получает энергию путем сопряженного окисления-восстановления системы этиловый спирт — уксусная кислота. В результате реакции образуются высшие жирные кислоты (главным образом капроновая и масляная кислоты). Характерно, что Cl. kluyveri не способен сбраживать углеводы, аминокислоты и пурины. Накопление энергии в форме АТФ происходит у этого анаэроба с использованием механизмов окислительного фосфорилирования. Cl. lactoacetophilum осуществляет брожение сходного типа, сбраживая смесь лак-тата и уксусной кислоты. Обе эти бактерии используют в качестве акцепторов водорода уксусную кислоту, а в качестве доноров первая — этанол, вторая — лактат. Cl. glycollicum превращает этиленгликоль в смесь этилового спирта и уксусной кислоты:

Анаэробная бактерия из рода Clostridium (не определенная до вида) осуществляет крайне интересный тип брожения соединений с сульфониевой связью. Такие вещества могут рассматриваться как соединения, обладающие мак-роэргической связью, при разрыве которой выделяется большое количество энергии. Clostridium species (Штадтман, 1968) сбраживает диметилпропиотетин, используя его в качестве единственного источника углерода и энергии:

3(CH3)2S + -CH2CH2COO - +2H20 -> -> 2CH3CH2COO - +CH3COO - + 3(CH8)2S+CO2+H + пропионовая кислота уксусная кислота диметилсульфид диметилпропиотетин

Протеолитические анаэробные бактерии - очень большая группа анаэробов, получающая энергию за счет анаэробного разрушения аминокислот. Многие из них являются строго протеолитическими организмами, неспособными сбраживать углеводы. Другие обладают слабовыраженной сахаролитической активностью. Имеются также активные протеолитические виды, способные осуществлять маслянокислое брожение Сахаров. Протеолитическая активность у некоторых анаэробов (Cl. histolyticum) настолько высока, что у зараженных этими микроорганизмами животных наблюдается как бы расплавление мышц, после чего остаются голые кости. Освобождающиеся после протео-лиза (разрушение белков протеолитическими ферментами) аминокислоты могут сбраживаться двумя путями. Cl. sporogenes, например, сбраживает пару аминокислот, причем одна из них окисляется, а другая восстанавливается (реакция Стикленда), т. е. одна аминокислота служит донором, а другая — акцептором водорода:

аланин + 2 глицин + 2Н20 -> -> 3 уксусная кислота + C02+3NH3

Существуют виды протеолитических анаэробов, которые могут сбраживать и по одной аминокислоте, например глутаминовую кислоту (Cl. tetani).

Микра / Лекции / Скорина / Лекция 17

Брожение - это способ получения энергии, при котором АТФ синтезируется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования. Все реакции субстратного фосфорилирования локализованы в цитолизе клетки. Это указывает на простоту химических механизмов, лежащих в основе субстратного фосфорилирования.

2. Спиртовое брожение

Энергетический выход спиртового брожения составляет две молекулы АТФ на одну молекулу катаболизированной глюкозы. Суммарная реакция процесса спиртового брожения выражается следующим уравнением:

С ₆Н ₁₂О ₆ + 2Ф_н + 2АДФ → 2СН₃СН₂ОН + 2СО₂ + 2АТФ + 2Н₂О

Рис. 1. - Схема спиртового брожения

Типичными возбудителями спиртового брожения являются некоторые виды дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, S. uvarum, Schizosaccharomyces pombe и др.) и бактерий (Erwinia amylovora, Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis). Кроме того, этанол образуют такие мезофильные бактерии, как Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus lactis, Clostridium sporogenes, Spirochaeta aurantia, а также термофильные бактерии Thermoanaerobacterethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum, C. thermocellum.

3. Маслянокислое брожение

Расчеты показали, что глюкоза при маслянокислом брожении может сбраживаться согласно уравнению:

Глюкоза = Бутират + 2 СО₂ + 2Н₂

На одну молекулу сбраживаемой глюкозы образуется 3,3 молекулы АТФ.

Рис. 2 - Схема маслянокислого брожения

Маслянокислое брожение проходит в строго анаэробных условиях и осуществляют его облигатно-анаэробные бактерии рода Clostridium (возбудителями клаасического маслянокислого брожения являются C.butyricum, C.pasteurianum, C. rubrum и др.)

4. Молочнокислое гомо- и гетороферментативное брожение

Катаболизм глюкозы при гомоферментативном молочнокислом брожении происходит по гликолитическому пути.

Рис. 3 - Схема гомоферментативного молочнокислого брожения

Общий химизм гомоферментативного молочнокислого брожения идет по следующему суммарному уравнению:

С ₆Н ₁₂О ₆ + 2Ф_н + 2АДФ → 2СН₃- СНОН - СООН + 2АТФ

Возбудителями гомоферментативного молочнокислого брожения являются, например, бактерии Streptococcus cremoris, S. lactis, Lactobacillus bulgaricus, L. lactis и др.

Общий химизм гетероферментативного молочнокислого брожения может быть представлен схематическим уравнением:

2С₆Н₁₂О₆ = СН₂СНОН-СООН + СООН-СН₂-СН₂СООН +

СН₃СООН + СН₃СН₂ОН + СО₂ + Н₂ + х ккал.

При этом типе брожения расщепление углеводов происходит по пентозофосфатному пути. Конечными акцепторами водорода являются пировиноградная кислота и ацетальдегид.

Возбудителями гетероферментативного молочнокислого брожения являются бактерии видов Leuconostoc mesenteroides, Bifidobacterium bifidum, Lactobacillus brevis, некоторые бактерии рода Streptococcus, Lactobacterium и др.

5. Пропионовокислое брожение

Пропионовокислые бактерии расщепляют углеводы по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты, которая подвергается дальнейшим превращениям с образованием пропионовой кислоты, уксусной кислоты и СО₂:

1,5Глюкоза → 2 Пропионат + СО₂ + Ацетат

Поскольку пропионовокислые бактерии развиваются, как правило, в тех же субстратах, что и молочнокислые (рубец и кишечник жвачных животных), то предпочтительным субстратом для окисления является молочная кислота, синтезирующаяся в результате молочнокислого брожения:

3Лактат → 2 Пропионат + 2Ацетат + СО₂

Существуют два метаболических пути образования пропионовой кислоты у пропионовокислых бактерий:

1) Акрилатный путь, в котором лактат в ходе ряда последовательных реакций восстанавливается до пропионата. Акрилатный путь присущ, по-видимому, только нескольким видам микроорганизмов (Clostridium propionicum, Bacteroides ruminicola, Megasphaera elsdenii).

2) Сукцинат-пропионатный путь, в котором лактат превращается в пропионат через стадии образования пирувата и сукцината. Сукцинат-пропионатный тип брожения функционирует у большинства микроорганизмов, образующих пропионат. (например. пропионовокислые бактерии).

Рис. 4 - Акрилатный путь пропионовокислого брожения

Кроме пропионата, в акрилатном типе брожения образуются также ацетат и СО₂. Выход АТФ составляет одну молекулу на три молекулы потребленного в этом случае лактата.

6. Брожение смешанного типа, бутандиоловое брожение

Брожение смешанного типа характерен для энтеробактерий, входящих в семейство Enterobacteriaceae. К их числу относят Escherichia coli, Proteus vulgaris, Enterobacter cloacae, Serratia marcescens, Erwinia amylovora, Salmonella typhi, Shigella dysenteriae, Yersinia pestis и др.

При брожении смешанного типа гексозы используются в основном по гликолитическому пути, и только у незначительной части микроорганизмов - по пентозофосфатному пути. Катаболизм глюконата проходит по пути Энтнера - Дудорова.

В зависимости от того, какие продукты образуются при брожении смешанного типа, различают две его разновидности:

1. Брожение, характерное для бактерий родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Citrobacter, Yersinia, при котором образуются главным образом кислоты (молочная, уксусная, янтарная, муравьиная). Кроме органических кислот, выделяются газообразные продукты СО₂ и Н₂ (в соотношении 1:1), образуется этанол и совсем не синтезируется 2,3-бутандиол (рис. 5).

Выход АТФ в этом случае составляет 2-2,5 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Кроме двух молекул АТФ, образующихся в процессе гликолиза, еще некоторое количество АТФ синтезируется в реакции, катализируемой ацетаткиназой.

2. Брожение, характерное для бактерий родов Enterobacter, Serratia, Pantoea, Erwinia. При таком брожении органических кислот синтезируется значительно меньше, чем в брожении первого типа, однако больше образуется СО₂ и этанола. Кроме того, основным продуктом такого брожения является 2,3-бутандиол и, соответственно, этот тип брожения называют иначе бутандиоловым (рис. 6).

Выход АТФ при бутандиоловом брожении - две молекулы на одну молекулу глюкозы.

Рис.5 - Брожение смешанного типа, характерное для энтеробактерий родов Escherichia, Salmonella, Shigella, Citrobacter, Yersinia

Рис. 6 - Бутандиоловое брожение, характерное для бактерий родов Enterobacter, Serratia, Pantoea, Erwinia

Читайте также: