Превращение безазотистых органических веществ
Анаэробные процессы
Спиртовое брожение
Спиртовым брожением называется процесс превращения микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ:
C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2.
Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Спиртовое брожение могут вызвать некоторые мицелиальные 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 Э. Бухнер 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. Для дрожжей спиртовое брожение является процессом получения энергии в анаэробных условиях.
В главе 2 указывалось, что любое брожение протекает как бы в две стадии: первая –окислительная – включает превращение глюкозы до пировиноградной 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
Рис. 32. Схема спиртового брожения
Дрожжи обладают ферментом пируватдекарбосилазой, который катализирует реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты с отщеплением СО2 и образованием уксусного альдегида:
2СН3СОСООН → 2СН3СНО + 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:
2СН3СНО + 2НАД·Н2 → 2СН3СН2ОН + 2НАД.
Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт завершает спиртовое брожение.
С энергетической точки зрения брожение – процесс малоэкономичный; выше указывалось, что при сбраживании 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, изобутилового, 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 вызывать медленное брожение сахара даже при концентрации его 60% и выше. Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли,
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 оС, а при 45-50 оС оно прекращается, так как дрожжи отмирают. При снижении температуры скорость брожения замедляется, но полностью не прекращается даже при температурах, близких к 0 оС.
По характеру брожения дрожжи подразделяют на верховые и низовые.
Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28 оС. 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 при сравнительно низких температурах (4-10 оС). 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
1 Энергией брожения называется способность определенного количества дрожжей сбраживать за определенный промежуток времени то или иное количества сахара
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 молочнокислым брожением оно используется при получении некоторых кисломолочных продуктов (кумыса, кефира), 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 крахмалопаточных 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 Aspergillus.
В зерновом и грибном солоде кроме амилаз содержатся протеолитические ферменты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотосодержащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат, называемый суслом, содержащий помимо сахара и другие питательные вещества для дрожжей.
При использовании мелассы, сульфитных щелоков и гидролизатов древесины для улучшения питательной ценности в них вносят источники фосфора и азота. Мелассу, кроме того, разводят водой для снижения в ней концентрации сахара, солей и других веществ и подкисляют серной кислотой. Подготовленные сахаристые заторы повергают брожению.
Применяемые дрожжи предварительно выращивают в аэробных условиях на стерильных питательных сахаросодержащих заторах, подкисленных серной кислотой или заквашенных молочнокислыми 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 молочнокислые бактерии и некоторые дикие дрожжи способны развиваться в этих условиях. Они используют питательные вещества среды, угнетают рост и развитие производственных дрожжей продуктами своего обмена, при этом выход спирта снижается.
Использование спиртового брожения в хлебопечении, производстве алкогольных, слабоалкогольных напитков, некоторых кисломолочных продуктов изложено в главе 7.
Молочнокислое брожение
Молочнокислое брожение – это превращение сахара молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. Наряду с этим основным продуктом брожения в большем или меньшем количестве образуются побочные продукты.
По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные
Рис. 33. Схема молочнокислого брожения
Гомоферментативные (однотипно-бродящие) бактерии образуют в основном (не менее 85-90%) молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Этот тип молочнокислого 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, уксусную кислоту; есть и такие, которые, кроме того, продуцируют четырехуглеродные соединения – ацетоин (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 молочнокислых бактерий.
Химизм молочнокислого брожения. Процесс превращения глюкозы до пировиноградной кислоты у гомоферментативных молочнокислых бактерий протекает по
гликолитическому пути (рис. 28). 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:
СН3СОСООН + НАД·Н2 = СН3СНОНСООН + НАД.
Превращение глюкозы гетероферментативными бактериями происходит по-иному, что обусловливает своеобразие 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 молочнокислых 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 (ПВК) и уксусный альдегид.
Возбудители молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии имеют круглую, слегка овальную или палочковидную 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 объединенные в цепочки.
Все молочнокислые бактерии неподвижны, не образуют спор, грамположительны, не имеют фермента каталазы, являются факультативными анаэробами, есть микроаэрофилы. 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 бактерии, не использующие лактозу. Крахмал и другие полисахариды молочнокислые бактерии не сбраживают. Некоторые, преимущественно гетероферментативные, бактерии используют пентозы и лимонную кислоту.
Различные виды молочнокислых бактерий образуют неодинаковое количество кислоты, что обусловлено различной их кислотоустойчивостью. Преобладающее большинство гомоферментативных палочковидных бактерий продуцирует кислоты больше (до 2-3,5%), чем стрептококки (около 1%). Поэтому палочковидные молочные
бактерии могут развиваться при рН 3,8-4,0; кокковые формы при такой кислотности среды не развиваются. Наилучшая бродильная активность палочковидных бактерий проявляется при рН 5,5-6,0.
Большинство молочнокислых бактерий, особенно гомоферментативные палочковидные, очень требовательны к составу питательной среды и хорошо развиваются только при наличии 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 молочнокислые бактерии на сложных питательных средах.
Благодаря высокой чувствительности к отдельным аминокислотам и витаминам молочнокислые бактерии используют в качестве «живых реактивов» при определении содержания этих веществ в различных субстратах.
Молочнокислые бактерии обладают протеолитической активностью. У разных видов эта способность проявляется в неодинаковой степени; более активны палочковидные формы. Молочнокислые бактерии легко переносят высушивание, устойчивы к СО2 и этиловому спирту; многие виды существуют при содержании в среде до 10-15% и более спирта. Некоторые молочнокислые бактерии устойчивы к NaCl, выдерживая концентрацию до 7-10%; более того, из мясных рассолов выделены (Л.А. Мельниченко) солеустойчивые штаммы, размножающиеся при 20%-ной концентрации NaCl.
По отношению к температуре молочнокислые бактерии подразделяют на мезофильные – с оптимумом роста 25-35 оС и термофильные – около 40-45 оС. Отдельные молочнокислые бактерии холодоустойчивы и могут развиваться при относительно низких положительных температурах (5 оС и ниже). При нагревании до 60-80 оС они гибнут в течение 30-10 мин, но имеются и термоустойчивые формы, сохраняющиеся при нагревании до 85 оС в течение нескольких минут.
Молочнокислые мезофильные бактерии довольно хорошо переносят замораживание, при этом стрептококки более устойчивы, чем палочковидные формы.
Некоторые молочнокислые бактерии образуют слизь, при их развитии жидкие субстраты становятся тягучими.
Установлено, что проявляемые молочнокислыми бактериями антагонистические свойства по отношению ко многим сапрофитным и болезнетворным бактериям (возбудителям кишечных заболеваний, стафилококкам) обусловлены не только продуцированием кислот, но и выделяемыми ими специфическими антибиотическими веществами.
В природных условиях молочнокислые бактерии встречаются на различных растениях, разлагающихся растительных остатках, 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 молочнокислых бактерий относятся к семейству Streptococcaceae, родам Streptococcus и Pediococcus (гомоферментативные) и Leuconostoc (гетероферментативные), а палочковидные формы – к семейству Lactobacillaceae, роду Lactobacillus.
Наиболее важными в техническом отношении представителями
гомоферментативных молочнокислых бактерий являются следующие:
Молочнокислый стрептококк (Streptococcus lactis) – кокки, соединенные попарно или короткими цепочками (рис. 34, а). Это мезофиллы, 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 оС. Некоторые образуют антибиотик низин.
Рис. 34. Молочнокислые бактерии:
а – Streptococcus lactis; б – Streptococcus thermophilus; в – Lactobacillus acidophilus
Близкий по своим свойствам к S. lactis его подвид S. lactis subsp. diacetilactis способен, кроме сахаров, сбраживать соли лимонной кислоты с образованием ацетоина и диацетила, что обуславливает 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 составляет 36-39 оС. Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин.
Термофильный стрептококк (S. thermophilus) – длинные цепочки кокков (рис. 34, б), хорошо развивается при 40-45 оС; минимальная температура роста 15 оС.
Эти виды молочнокислых стрептококков широко используются при приготовлении разнообразных кисломолочных продуктов.
Болгарская палочка (Lactobacillus bulgaricus) – крупные палочки (иногда зернистые), часто образующие длинные цепочки. Не сбраживают сахарозу. Термофильная бактерия, оптимальная температура развития составляет 40-45 оС, минимальная – 20 оС. Это активный кислотообразователь, накапливающий в молоке 2,5-3,5% молочной кислоты. Используется при изготовлении южной простокваши (мацони), кумыса.
Ацидофильная палочка (L. acidophilus) – термофильная бактерия (рис. 34, в). Температурный оптимум роста составляет 37-40 оС, минимум – около 20 оС. При сквашивании в молоке накапливается до 2,2% кислоты. Некоторые способны к слизеобразованию. Используется в производстве ацидофильных кисломолочных продуктов.
Ацидофильные палочки способны приживаться в кишечнике человека, вырабатывают антибиотические вещества, активные в отношении возбудителей кишечных заболеваний и туберкулеза. 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 (L. delbrueckii) – зерновая термофильная палочка, 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.
Молочнокислая мезофильная палочка (L. plantarum) – небольшие палочки, часто сцепленные попарно или цепочкой. Температурный оптимум около 30 оС. Накапливают до 1,3% кислоты. Это основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов.
Из гетероферментативных молочнокислых бактерий к технически важным следует отнести следующие.
Lactobacillus brevis – палочковидные бактерии, сбраживающие сахара при квашении капусты и огурцов с образованием кислот (молочной и уксусной), этилового спирта и СО2.
Leuconostoc cremoris – удлиненные кокки одиночные, парные или короткоцепочечные. При сбраживании лимонной кислоты образуют диацетил.
Температурный оптимум составляет 20-25 оС. Этот лейконосток вводится в закваски для аромата продуктов.
Некоторые виды Leuconostoc являются активными слизеобразователями. В субстратах, содержащих сахарозу, образует много «клейкого» полисахарида декстрана; при этом субстрат приобретает густую слизистую консистенцию.
Нетипичное (гетероферментативное) молочнокислое брожение осуществляют также бактерии рода Bifidobacterium, относящиеся к актиномицетам (раннее их относили к молочнокислым 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 (рис. 35). Они способны продуцировать органические кислоты и антибиотические вещества и являются антагонистами гнилостной и болезнетворной кишечной микрофлоры человека.
Рис 35. Bifidobacterium adolescentis
В настоящее время известно около 29 видов бифидобактерий, десять из них обнаружены у человека. В кишечнике человека наиболее часто встречаются виды: Bifidobacterium infantis, В. breve, В. bifidum, В. longum, В. adolescentis, B. species. Они используются в производстве кисломолочных и других продуктов.
Практическое значение молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии широко применяются в различных отраслях промышленности, но особенно велика их роль в молочной промышленности (см. главу 7).
Большое значение эти бактерии имеют при квашении овощей, силосовании кормов (растительной массы) для животных, в хлебопечении, особенно при изготовлении ржаного хлеба. Положительные результаты дают исследования по использованию молочнокислых 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 молочнокислых 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, безалкогольных напитках и др.) приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению).
Пропионовокислое брожение
Пропионовокислое брожение – это превращение сахара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды:
3С6Н12О6 → 4СН3СН2СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2Н2О;
3СН3СНОНСООН → 2СН3СН2СООН + СН3СООН + СО2 + Н2О.
Некоторые пропионовокислые бактерии образуют, кроме того, небольшое количество других кислот (муравьиную, янтарную, изовалериановую).
При пропионовокислом брожении превращение глюкозы до пировиноградной кислоты протекает также по гликолитическому пути. В дальнейшем пировиноградная кислота, претерпевая ряд превращений, восстанавливается в пропионовую. Брожение вызывают бактерии, относящиеся к семейству Propionibacteriaceae, роду Propionibacterium. Это неподвижные, бесспоровые, грамположительные палочки, слегка искривленные. В неблагоприятных условиях развития клетки нередко принимают булавовидную форму (рис. 36).
Рис. 36. Пропионовокислые бактерии
Пропионовокислые 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 оС; отмирают при температуре 60-70 оС. 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.
Пропионовокислое 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.
Маслянокислое брожение
Маслянокислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода, по уравнению:
С6Н12О6 → СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н2.
В качестве побочных продуктов брожения при этом получаются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.
Химизм маслянокислого брожения. При этом брожении сахар претерпевает те же превращения, что и при спиртовом и гомоферментативном молочнокислом брожениях, вплоть до образования пировиноградной кислоты (рис. 37). Пировиноградная кислота при участии кофермента А (КоА) расщепляется до ацетилКоА (СН3СОКоА), СО2 и Н2. Две молекулы образовавшегося двууглеродного соединения конденсируются при участии фермента карболигазы. Из синтезированного четырехуглеродного соединения (ацетоацетилКоА) в сложном цикле последовательных превращений образуется масляная кислота.
Глюкоза
ПВК
Кофермент А (КоА)
- молекулы ацетил КоА + СО2 + Н2
Карболигаза конденсация
Ацетоацетил КоА Масляная кислота
Рис. 37. Схема маслянокислого брожения
Возбудители маслянокислого брожения. Маслянокислые бактерии представляют
собой подвижные довольно крупные грамположительные палочки, они образуют споры,
которые располагают центрально или ближе к концу палочки, придавая ей форму
веретена или теннисной ракетки (рис. 38). Споры довольно термоустойчивы,
выдерживают кипячение в течение нескольких минут.
Особенностью этих бактерий является наличие в клетках запасного вещества –
крахмалоподобного полисахарида гранулезы (в виде зернышек-гранул), окрашиваемого
иодом в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет.
Эти бактерии – строгие анаэробы. Оптимальная температура их развития 30-40 оС, но
есть и термофильные, у которых оптимум 70 оС. Они чувствительны к кислотности среды:
оптимум рН составляет 6,9-7,4, а при рН ниже 4,5-4,9 развитие прекращается.
Маслянокислые бактерии относятся к семейству Bacillaceae рода Clostridium.
Типичным их представителем является Cl. 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.
Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Постоянные места их
обитания – почва, илистые отложения на дне водоемов, скопления разлагающихся
растительных остатков. Встречаются они в различных пищевых продуктах.
Практическое значение маслянокислого брожения. В природе это брожение имеет
положительное значение как звено в цепи многообразных превращений органических
веществ. В народном хозяйстве оно часто приносит значительный ущерб. Маслянокислые
бактерии могут вызывать 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 молочнокислом брожении;
образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус,
резкий и неприятный запах.
Маслянокислое 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. Эфиры масляной кислоты отличаются приятным ароматом, например,
метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый – грушевый, амиловый – ананасовый.
Их используют в качестве ароматических веществ 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, углеводородов (ксилозы, галактозы, арабинозы), метилового спирта и других
веществ. Сахара сбраживаются бактериями по типу маслянокислого брожения с
образованием уксусной и масляной кислот, СО2 и водорода. Все эти процессы приводят к
мацерации (распаду) пораженных объектов 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 целлюлозы 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 Н2.
Среди этих бактерий есть мезофиллы и термофилы. Биохимическая деятельность
бактерий имеет большое значение в круговороте углерода в природе.