Аэробные процессы

Окисление этилового спирта до уксусной кислоты
Уксусная кислота образуется из этилового спирта в процессе дыхания
уксуснокислых бактерий:
СН3СН2ОН + О2 → СН3СООН + Н2О.
Химизм процесса. Уксуснокислые бактерии обладают ферментом
алкогольдегидрогеназой. Окисление этилового спирта протекает в две стадии: первым
промежуточным соединением является уксусный альдегид, который затем окисляется в
уксусную кислоту.
Возбудители процесса – уксуснокислые бактерии – бесспоровые палочки,
грамотрицательные, строгие аэробы. Среди них есть подвижные и неподвижные формы.
Они кислоустойчивы и некоторые могут развиваться при рН среды около 3,0;
оптимальное значение рН – 5,4-6,3.
100
Уксуснокислые бактерии отнесятся к двум родам: Gluconobacter (Acetomonas) –
палочки с полярными жгутиками, не способные окислять уксусную кислоту, и Acetobacter
– перитрихи, способные окислять уксусную кислоту до СО2 и воды.
Уксуснокислые бактерии различаются размерами клеток, устойчивостью к спирту,
способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и
другими признаками. Например, A.aceti накапливает в среде до 6 % уксусной кислоты, A.
aceti subsp. orleanensis – до 9,5, A. aceti subsp. xylinum – до 4,5%. A. aceti выдерживают
довольно высокую концентрацию спирта – до 9-11%, а A. aceti subsp. xylinum – лишь 5-7%.
Растут уксуснокислые бактерии в интервале температуры 5-40 оС, оптимум – около
30 оС. Некоторые из них способны синтезировать витамины В1, В2, В12, однако многие
сами нуждаются в витаминах.
Уксуснокислые бактерии часто встречаются в виде длинных нитей и многие
образуют пленки на поверхности субстрата. Например, для A. pasteurianus характерна
сухая морщинистая пленка, для A. aceti subs. xylinum – мощная хрящевидная пленка, в
состав которой входит клетчатка. Некоторые бактерии образуют лишь островки пленки на
поверхности жидкости или кольцо около стенок сосуда.
Уксуснокислым бактериям свойственна изменчивость формы клеток. Так, в
неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают необычную форму – толстые
длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки (рис. 39).
Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, они встречаются на
поверхности растений, в зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.
Практическое значение процесса. Процесс окисления этилового спирта до уксусной
кислоты лежит в основе получения уксуса для пищевых целей.

Процесс осуществляют в специальных закрытых резервуарах-ферментерах их
нержавеющей стали. Исходным сырьем служат спиртовой раствор с питательными для
101
бактерий солями или ягодные и фруктовые продукты, соки, подкисленные продукты
винного и пивного производства и др. Подкисление субстрата необходимо для
предотвращения развития вредителей производства – пленчатых дрожжей и
слизеобразующих непроизводственных видов уксуснокислых бактерий, которые могут
попасть извне. Производственной культурой чаще всего служит A. aceti. В резервуарах
имеются отверстия для засасывания (или вдувания) воздуха. Чем лучше аэрация, тем
активнее протекает процесс. По мере протекания процесса уксуснокислые бактерии
окисляют спирт в уксусную кислоту, и в нижней части аппарата накапливается готовый
уксус, который периодически сливают.
Уксуснокислые бактерии могут при недостатке спирта окислять уксусную кислоту
до СО2 и воды. Этот процесс называется переокислением, он опасен для производства.
В настоящее время процесс производства уксуса ведут «глубинным» способом в
герметически закрытых аппаратах-ферментерах, в которых спиртсодержащий субстрат с
введенным в него уксуснокислыми бактериями аэрируется и перемешивается непрерывно
подаваемым в аппарат стерильным воздухом. Этот метод имеет ряд преимуществ:
требуется меньше производственных площадей, процесс автоматизирован и протекает
значительно быстрее, исключено попадание инфекции извне.
Уксусную кислоту используют в пищевой промышленности (маринование плодов и
овощей) и кулинарии (приготовление соусов и т.д.).
Окисление многоатомных спиртов и сахара уксуснокислыми бактериями
Уксуснокислые бактерии окисляют многоатомные спирты до кетонов, они могут
окислять и сахара. Некоторые из этих процессов неполного окисления спиртов и сахаров
имеют промышленное использование. Примерами их могут служить:
 окисление глицерина в диоксиацетон, являющийся ценным продуктом для
химической промышленности;
 окисление шестиатомного спирта сорбита в сорбозу, которая применяется для
синтеза аскорбиновой кислоты;
 окисление глюкозы в глюконовую кислоту, применяемую в фармацевтической
промышленности, медицине и ветеринарии.
Самопроизвольное развитие уксуснокислых бактерий в вине, пиве, квасе,
безалкогольных напитках и других продуктах приводит к их порче (прокисанию,
помутнению).
102
Образование органических кислот грибами
Мицелиальные грибы в процессе дыхания нередко окисляют углеводы лишь до
органических кислот. Некоторые из этих процессов неполного окисления имеют
промышленное использование.
Окисление углеводов до лимонной кислоты
Окисление глюкозы в лимонную кислоту можно представить следующим
суммарным уравнением:
2С6Н12О6 + 3О2 → 2С6Н8О7 + 4Н2О.
Химизм этого процесса окончательно не установлен. Большинство исследователей
считают, что до образования пировиноградной кислоты он протекает, как и у других
аэробных микроорганизмов. Дальнейшее превращение ПВК в лимонную сходно с ее
образованием в цикле Кребса.
Промышленным способом лимонную кислоту получают с использованием гриба
Aspergillus niger. Технические приемы биохимического получения кислоты в нашей
стране были разработаны С.П. Костычевым и В.С. Буткевичем.
Основным сырьем служит меласса – черная патока. Раствор ее, содержащий около
15% сахара, в который добавляют необходимые для гриба питательные вещества
(минеральные соли), стерилизуют, наливают слоем 8-12 см в плоские сосуды-кюветы и
засевают спорами гриба. Кюветы помещают в растильные камеры, которые хорошо
аэрируются. Процесс продолжается 8-10 дней при температуре 30 оС. Гриб развивается на
поверхности питательной среды, рН которой 2,5-3,5.
Выход лимонной кислоты достигает 60-70% израсходованного сахара. По окончании
процесса раствор из-под пленки гриба сливают. Лимонную кислоту выделяют из раствора,
подвергают очистке и кристаллизации. Под мицелий гриба можно снова подвести свежий
раствор.
Описанный метод (поверхностный) производства лимонной кислоты заменяется в
настоящее время «глубинным» методом, при котором предварительно выращенный (в
виде гранул) мицелий вносят в стерильную мелассную жидкость, помещенную в
герметично закрывающийся танк (ферментатор). Жидкость в танке непрерывно аэрируют
и перемешивают стерильным воздухом. Процесс длится 5-7 сут при температуре 30-32 оС.
Этот способ позволяет повысить производительность труда, избежать заражение
сбраживаемого субстрата, облегчить его автоматизацию и механизацию.
103
Лимонную кислоту используют в кондитерской промышленности, производстве
безалкогольных напитков, сиропов, в кулинарной практике и медицине.
С помощью грибов рода Aspergillus и Penicillium получают глюконовую кислоту из
глюкозосодержащих субстратов. Интенсивность образования кислоты зависит от состава
среды, интенсивности аэрации, штамма гриба и др. Глюконовую кислоту применяют в
медицине, фармацевтической промышленности.
Разложение клетчатки и пектиновых веществ
Разложение клетчатки и пектиновых веществ в аэробных условиях происходит под
действием микроорганизмов, которые обладают пектолитическими ферментами и
целлюлазой. Сначала микроорганизмы гидролизуют клетчатку и пектиновые вещества, а
затем окисляют продукты гидролиза в основном до СО2 и Н2О. Такой способностью
обладают многие грибы и некоторые бактерии.
Целлюлозоразлагающие бактерии (цитофаги, миксобактерии, актиномицеты) и
пектинразлагающие (многие виды рода Bacillus) обитают в почве.
Аэробное разложение клетчатки и пектиновых веществ широко распространено в
природе и имеет огромное значение в процессах минерализации растительных остатков.
Однако при спонтанном развитии целлюлозо- и пектинразлагающих
микроорганизмов может значительно снизиться качество различных промышленных
материалов, содержащих клетчатку, а также растительного пищевого сырья (плодов и
овощей).
Гидролиз пектиновых веществ приводит к разрыхлению мякоти плодов и овощей,
вплоть до распада тканей (появляется «мокрая гниль»), а гидролиз клетчатки – к
разрушению стенок клеток мякоти и внедрению в них микроорганизмов.
Разрушение древесины
Древесина содержит в основном клетчатку (до 50-55%), инкрустированную
лигнином, которого может быть до 30%. Кроме клетчатки и лигнина, в древесине имеется
до 15% гемицеллюлозы и некоторое количество смолистых и других веществ. Сухая
древесина стойкая и может длительно сохраняться без изменения, но во влажном
состоянии древесина сравнительно легко поражается различными грибами,
преимущественно трутовыми.
Все трутовые грибы обладают экзоферментом целлюлазой и вызывают
деструктивное разрушение древесины, при этом она крошится, темнеет, растрескивается.
Некоторые трутовики имеют, кроме того, ферменты, воздействующие на лигнин. Они
104
вызывают коррозионное разрушение древесины, которая при этом размягчается,
становится волокнистой. Есть также грибы, действующие одновременно на лигнин и
целлюлозу.
Продукты ферментативного разрушения древесины являются для грибов источником
питания и энергии.
Наиболее активными, поражающими заготовительную древесину в складских
помещениях и обработанную, используемой в постройках, а также тару, являются грибы
семейства Пориевых и Кониофоровых. Из последних особо опасен настоящий домовой
гриб (Serpula lacrymans). Борьба с ним основана на применении профилактических
мероприятий и обработке антисептиками.
Разложение жиров и жирных кислот
Под действием различных физико-химических факторов внешней среды, а также
микроорганизмов жиры могут подвергаться значительным изменениям.
Воздействие микроорганизмов на жир начинается обычно с его гидролиза при
участии ферментов липаз на глицерин и свободные жирные кислоты. Продукты гидролиза
подвергаются дальнейшим превращениям. Глицерин используется многими
микроорганизмами и может быть полностью окислен до СО2 и Н2О.
Жирные кислоты окисляются медленнее, но и они, в первую очередь ненасыщенные,
постепенно окисляются. Некоторые микроорганизмы, помимо липолитических ферментов
(липаз), обладают окислительным ферментом – липоксигеназой, катализирующей процесс
окисления кислородом воздуха некоторых ненасыщенных жирных кислот. В результате
образуются перекиси жирных кислот, легко подвергающиеся дальнейшему окислению с
образованием различных промежуточных продуктов кето- и оксикислот, альдегидов,
кетонов и других, придающих жиру специфические неприятные вкус (прогорклость) и
запах.
Промежуточные продукты окисления жирных кислот в свою очередь могут быть
использованы микроорганизмами в процессах их метаболизма и в конечном счете могут
превратиться в СО2 и Н2О.
Возбудителями процессов разложения жира и жирных кислот являются различные
палочковидные бактерии, а также микрококки, многие мицелиальные грибы, некоторые
дрожжи и актиномицеты. Из бактерий очень активны бактерии рода Pseudomonas,
особенно продуцирующие пигменты. Из мицелиальных грибов значительной
липолитической активностью обладают Oidium lactis, Cladosporiun herbarum, многие виды
105
Aspergillus и Penicillium. Многие жирорасщепляющие микроорганизмы являются
психротрофами, способными развиваться при низких положительных температурах.
Порча пищевых жиров и жира, содержащегося в различных продуктах (молочных,
рыбных, крупяных и др.), очень распространена и нередко наносит большой ущерб
народному хозяйству.
При длительном хранении жиров в условиях, не допускающих развития микробов,
порча жира может быть результатом химических процессов под влиянием света,
кислорода воздуха.
Превращение азотсодержащих веществ
Гнилостные процессы
В метаболизме микроорганизмов азотсодержащие вещества подвергаются
разнообразным превращениям.
Гниение – это процесс глубокого разложения белковых веществ микроорганизмами.
Продукты разложения белков микроорганизмы используют для синтеза веществ клетки, а
также в качестве энергетического материала.
Химизм разложения белковых веществ. Гниение – сложный, многоступенчатый
биохимический процесс, характер и конечный результат которого зависят от состава
белков, условий процесса и видов вызывающих его микроорганизмов.
Белковые вещества не могут поступать непосредственно в клетки микроорганизмов,
поэтому их могут использовать только микробы с протеолитическими ферментами –
экзопротеазами, выделяемыми клетками в окружающую среду.
Процесс распада простых белков начинается с их гидролиза. Первичными
продуктами гидролиза являются пептиды. Они поступают в клетку и гидролизуются
внутриклеточными протеазами до аминокислот.
Такие белки, как нуклеопротеиды, под действием гнилостных микробов
расщепляются на белковый комплекс и нуклеиновые кислоты. Затем белки разлагаются до
аминокислот, а нуклеиновые кислоты распадаются на фосфорную кислоту, углеводы и
смесь азотсодержащих оснований.
Аминокислоты непосредственно используются микроорганизмами на синтез клетки
или подвергаются ими дальнейшим изменениям, например дезаминированию, в
106
результате чего образуются аммиак1 и разнообразные органические соединения.
Различают дезаминирование гидролитическое, окислительное и восстановительное.
Гидролитическое дезаминирование сопровождается образованием гидроксикислот и
аммиака. Если при этом происходит и декарбоксилирование аминокислоты, то образуется
спирт, аммиак и углекислый газ:
RCHNH2COOH + H2O → RCHOHCOOH + NH3;
RCHNH2COOH + H2O → RCH2OH + NH3 + CO2.
При окислительном дезаминировании образуются кетокислоты и аммиак:
RCHNH2COOH + 1/2O2 → RCOCOOH +NH3.
При восстановительном дезаминировании получаются карбоновые кислоты и
аммиак:
RCHNH2COOH + 2H → RCH2COOH + NH3.
Из приведенных уравнений видно, что среди продуктов разложения аминокислот в
зависимости от строения их радикала (R) обнаруживаются различные органические
кислоты и спирты. Так, при разложении аминокислот жирного ряда могут накапливаться
муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная и другие кислоты; пропиловый, бутиловый,
амиловый и другие спирты. При разложении аминокислот ароматического ряда
промежуточными продуктами являются характерные продукты гниения: фенол, крезол,
скатол, индол – вещества, обладающие очень неприятным запахом. При распаде
аминокислот, содержащих серу, получается сероводород или его производные –
меркаптаны (например, метил-меркаптан – CH3SH). Меркаптаны обладают запахом
тухлых яиц, который ощущается даже при ничтожно малых концентрациях.
Образующиеся при гидролизе белка диаминокислоты могут подвергаться
декарбоксилированию без отщепления аммиака, в результате чего получаются диамины и
СО2.
Например, лизин превращается в кадаверин:

Декарбоксилаза

NH2(CH2)4CHNH2COOH NH2(CH2)5NH2 + CO2.

Аналогично этому орнитин превращается в путресцин.

1 Ввиду того, что аммиак всегда имеется в конечных продуктах распада белков, процесс гниения называют также аммонификацией белковых веществ.

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

Дальнейшая «судьба» азотистых и безазотистых органических соединений, получающихся при распаде различных аминокислот, зависит от окружающих условий и состава микрофлоры. Под воздействием аэробных микроорганизмов эти соединения подвергаются окислению, так что могут быть полностью минерализированы. В этом случае конечными продуктами гниения являются аммиак, углекислый газ, вода, соли серной и фосфорной кислот. В анаэробных условиях не происходит полного окисления промежуточных продуктов распада аминокислот. В связи с этим кроме NH3 и СО2 накапливаются различные, указанные выше органические соединения, в числе которых могут быть вещества, обладающие ядовитыми свойствами, и вещества, сообщающие гниющему материалу отвратительный запах (рис. 40).

Углекислый газ

Аммиак

Жирные кислоты

Углекислый газ

+

Вода

Аминокислоты

Метан

Пептоны

Фенол Индол Крезол Скатол Амины Сероводород Меркаптаны

Углекислый газ

Водород

Полипептиды

Белки

Рис. 40. Схематический процесс гниения

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

Наиболее распространенными гнилостными бактериями являются следующие.

Bac. subtilis (сенная и картофельная палочки1) – аэробные, подвижные, грамположительные, спорообразующие бактерии (рис. 41). Споры их отличаются высокой термоустойчивостью.

а б

Рис. 41. Bac. subtilis:

a – палочки и овальные споры; б – колония

Температурный оптимум развития этих бактерий лежит в пределах 35-45 оС, максимум роста – при температуре 55-60 оС; при температуре ниже 5 оС они не размножаются. Помимо разложения белков эти бактерии способны разлагать пектиновые вещества, полисахариды растительных тканей, сбраживать углеводы. Сенная и картофельная палочки широко распространены в природе и являются возбудителями порчи многих пищевых продуктов.

Бактерии рода Pseudomonas – аэробные подвижные палочки с полярным жгутиком, не образующие спор, грамотрицательные (рис. 42, а).

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

Proteus vulgaris (Протей) – мелкие грамотрицательные, бесспоровые палочки с резко выраженными гнилостными свойствами. Белковые субстраты при развитии в них протея

1 В соответствии с Международным кодексом номенклатуры бактерий сенная и картофельная палочки рассматриваются как синонимы одного вида Bacillus subtilis

приобретают сильный гнилостный запах. В зависимости от условий жизни эти бактерии способны заметно менять форму и размеры (рис. 42, б).

а б

Рис. 42.

a – Pseudomonasб – Proteus vulgaris

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

Особенностью протея является его очень энергичная подвижность. Это свойство лежит в основе метода выявления протея в пищевых продуктах и отделения его от сопутствующих бактерий. Некоторые виды выделяют токсические для человека вещества. Clostridium putrificum (рис. 43, а) – анаэробная подвижная, спорообразующая палочка. Относительно крупные споры ее располагаются ближе к концу клетки, которая

при этом приобретает сходство с барабанной палочкой.

 

Рис. 43.

а – Clostridium putrificumб – Clostridium sporogenes

Споры довольно термоустойчивы. Углеводы эта бактерия не сбраживает. Белки разлагает с образованием большого количества газа (NH3, H2S). Оптимальная температура развития 37-43 оС, минимальная составляет 5 оС.

Clostridium sporogenes (рис. 43, б) – анаэробная подвижная, спороносная палочка. Споры термоустойчивы, в клетке они расположены ближе к концу. Характерным является очень быстрое образование спор. Эта бактерия сбраживает углеводы с образованием кислот и газа, обладает липолитической способностью. При разложении белков обильно выделяется сероводород. Оптимальная температура развития 35-40 оС, минимальная –около 5 оС.

Оба вида клостридий известны как возбудители порчи баночных консервов (мясных,

рыбных и др.).

Кроме бактерий белки могут разлагать и грибы.

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

Нитрификация

Процесс последовательного окисления аммиака до азотистой и азотной кислот называется нитрификацией, а возбудители ее нитрифицирующими бактериями. Сущность этого процесса была открыта и изучена С.Н. Виноградским (1856-1953 гг.), одним из основоположников микробиологии.

Процесс нитрификации протекает в две фазы, каждая из которых обусловлена деятельностью специализированных бактерий. Возбудители первой фазы – нитрозные бактерии – окисляют аммиак до солей азотистой кислоты (нитритов). Возбудители второй фазы – нитратные бактерии – окисляют соли азотистой кислоты в соли азотной кислоты (нитраты).

Нитрифицирующие бактерии имеют разнообразную форму клеток. Есть подвижные и неподвижные. Это грамотрицательные, облигатные аэробы, хемолитоавтотрофы. Органические вещества тормозят их развитие. Они чувствительны к кислой среде, развиваются при рН среды от 6,0 до 9,0; живут в почве, природных водах.

Денитрификация

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

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

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

Фиксация молекулярного азота

Запасы молекулярного азота в атмосфере огромны, но им не могут воспользоваться ни растения, ни животные.

Однако существуют микроорганизмы (эубактерии), способные фиксировать свободный атмосферный азот, т.е. переводить его в связанное состояние. Они восстанавливают азот до аммиака; часть его используют для синтеза веществ клетки, часть выделяют в окружающую среду.

В качестве источника азота азотфиксирующие микроорганизмы могут использовать также соли аммония, нитриты, нитраты, аминокислоты.

Одни азотфиксирующие бактерии живут свободно в почве и в воде, другие в симбиозе с высшими растениями, в частности с бобовыми, поселяясь в бородавчатых вздутиях (клубеньках) корней этих растений. Отсюда произошло и название этих бактерий – клубеньковые. Величина и форма клубеньковых бактерий подвержены значительным изменениям в зависимости от их возраста и условий жизни.

Среди свободно живущих азотфиксирующих бактерий наибольшее значение имеют:

  • аэробные бактерии рода азотобактер (Azotobacter), открытые нидерландским ботаником и микробиологом М. Бейеринком (1851-1931 гг.);
  • анаэробные бактерии Clostridium pasteurianum, открытые С.Н. Виноградским, –подвижные спорообразующие палочки, способные сбраживать углеводы по типу маслянокислого брожения.

Азотфиксирующие бактерии имеют большое значение. В результате их деятельности почва обогащается доступной для растений формой азотистого питания.

В практике сельского хозяйства для повышения урожайности растений используют препарат нитрагин (из культур клубеньковых бактерий) и землеудобрительный препарат азотобактерин (из культур азотобактера).

* * *

Патенты. В последние годы в различных странах мира осуществляется патентование микроорганизмов и различных объектов и процессов, с ними связанных. Объектами авторского права являются:

  • новые виды бактерий, дрожжей и мицелиальных грибов, их композиция, эффективные для практических целей;
  • продукты жизнедеятельности отдельных и нескольких видов микроорганизмов;
  • технология выращивания микроорганизмов и получения биопродукции; новые питательные среды
  • ряд других процессов и объектов.