Изучение жизненных функций микроорганизмов – питания, дыхания, роста, развития, реакции на внешние раздражения, взаимодействия с внешней средой способствует практическому использованию их в пищевой промышленности, а также предопределяет пути и средства борьбы с ними.

Поступление веществ из внешней среды и выделение продуктов жизнедеятельности во внешнюю среду составляет обмен веществ организма, в процессе которого организм растет, обновляет себя, развивается.

Основными процессами обмена веществ организма являются питание и дыхание. Оба эти процесса тесно взаимосвязаны и происходят в организме одновременно. Они обусловливают рост, развитие и размножение организма и представляют собой сложный комплекс разнообразных превращений веществ и энергии. Образующиеся при этих превращениях продукты обмена выделяются из организма во внешнюю среду. С обменом веществ связано и воздействие микроорганизмов на внешнюю среду. Например, уксуснокислые бактерии, попадая в слабое виноградное вино и развиваясь в нем, превращают его в уксус, гнилостные бактерии, развиваясь в мясе, разрушают белки и вызывают его порчу.

Внешние условия значительно влияют на характер питания и дыхания микроорганизмов.

Все микроорганизмы могут жить и развиваться только в присутствии воды. Вода является главной составной частью протоплазмы и обусловливает развитие всех жизненных процессов* так как обмен веществ с окружающей средой происходит в ее присутствии.

Микроорганизмы не имеют специальных органов питания и дыхания, обмен веществ у них происходит путем осмоса через всю поверхность их тела. Осмос – это диффузия веществ в растворах через полупроницаемую перепонку (мембрану). Он возникает под действием разности осмотических давлений в двух соседних точках или слоях раствора, например, по обе стороны полупроницаемой перепонки. Чем больше разность осмотических давлений по обе стороны полупроницаемой перепонки, тем с большим напором или с большей силой будет протекать осмос растворенного вещества со стороны большего осмотического давления в сторону меньшего. При этом будет осмотировать (диффундировать) и растворитель (вода), но в сторону большего осмотического давления, стремясь как бы разбавить более концентрированный раствор до концентрации раствора на стороне меньшего-осмотического давления.

Для осмотического давления, как и для газового, действует закон парциального давления: в смеси растворенных веществ общее осмотическое давление равняется сумме парциальных.

Таким образом, каждое растворенное вещество из смеси осмотирует в соответствии с его собственным парциальным осмотическим давлением. Поэтому поступление питательных веществ в клетку не прекращается даже при очень низкой концентрации их во внешней среде тем более, что поступившие в клетку питательные вещества ассимилируются клеткой. Парциальное осмотическое давление внутри клетки всегда будет ниже, чем во внешней среде.

Проникновение веществ в клетку зависит от величины и строения их молекул, степени диссоциации на ионы, способности адсорбироваться на поверхности клетки и растворяться в составляющих ее компонентах или вступать с ними в химические соединения. Проницаемость клетки может изменяться в зависимости от физико-химических условий среды, возраста и состояния клетки и от ряда других факторов.

По способу питания микроорганизмы можно разделить на прототрофные, или аутотрофные, метатрофные и паротрофные.

К прототрофным относятся такие микроорганизмы, которые питаются простейшими неорганическими соединениями. Они способны в качестве единственного источника углерода ассимилировать углекислый газ из воздуха. Такие микроорганизмы не вызывают порчи пищевых продуктов. Это нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак в азотную кислоту, и водородные бактерии, окисляющие водород с образованием воды, и др.

Метатрофные микроорганизмы получают углерод, необходимый для построения их тела из готовых органических соединений. Они разлагают пищевые продукты, содержащие белки и углеводы. К ним относятся группы микроорганизмов, включая большую часть бактерий, дрожжей и плесеней.

Метатрофные микроорганизмы, усваивающие белки, называются сапрофитными, т, е. вызывающими гниение. Под влиянием протеолитических ферментов, выделяемых сапрофитами в окружающую среду, белковые вещества распадаются, превращаясь в полипептиды, пептоны и аминокислоты и т. д. Вещества, образовавшиеся в результате распада белка, проникают во внутрь микробной клетки, где под влиянием ферментов в новых условиях происходит синтез новых веществ – белков клетки микроорганизмов.

К паротрофным относится группа микроорганизмов – паразитов. Они живут в теле животных, растений и питаются за счет веществ, входящих в состав этих организмов. Это разнообразные возбудители инфекционных заболеваний человека, в том числе и пищевых инфекций, которые, попадая на продукты, не размножаются в них, но длительное время (месяцами) сохраняют жизнеспособность и патогенность даже при низких температурах. К паротрофным микроорганизмам относятся и некоторые возбудители пищевых отравлений (золотистый стафилококк, салмонеллы), которые могут размножаться и выделять токсины. Некоторые из них способны длительное время не терять жизнеспособность даже в замороженных продуктах.

Рост, развитие и размножение микроорганизмов требует большого расхода энергии. Потребность организма в энергии удовлетворяется в процессе дыхания.

Совокупность реакций, служащих для организма источником энергии, составляет процесс дыхания. В процессе дыхания многие микроорганизмы используют кислород воздуха. Наряду с этим у ряда микроорганизмов процесс дыхания протекает без участия кислорода.

Таким образом, в зависимости от отношения к кислороду микроорганизмы могут быть разделены на две группы: одни из них – аэробные – не могут жить без кислорода воздуха, другие – анаэробные – не нуждаются в кислороде воздуха. Некоторые микроорганизмы могут жить как в аэробных, так и в анаэробных условиях – факультативные анаэробы, или аэробы.

Конечными продуктами окисления безазотистых органических соединений аэробными микроорганизмами является углекислый газ и вода. Некоторые бактерии и грибы окисляют органические вещества частично с образованием кислот: уксусной, молочной, щавелевой, янтарной, яблочной, лимонной.

Анаэробные микроорганизмы получают необходимую для их жизнедеятельности энергию в процессе бескислородного дыхания, называемого брожением. Различают спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и другие виды брожений.

При спиртовом брожении происходит распад сахара на спирт и углекислый газ с выделением тепла

C₆H₁₂O₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 27 ккал.

Один из конечных продуктов этого процесса – этиловый спирт – обладает довольно высоким запасом энергии. Так, уксуснокислые бактерии в процессе дыхания могут окислять этиловый спирт до уксусной кислоты или полностью до углекислого газа и воды. При этом, как видно из приведенных ниже уравнений, освобождается различное количество энергии:

C₂H₅OH + O₂ = CH₃COOH + H₂O + 116 ккал;

C₂H₅OH + 30₂ = 2СО₂ + ЗН₂О + 326 ккал.

При молочнокислом брожении углеводы сбраживаются в молочную кислоту с выделением 18 ккал тепла

C₆H₁₂O₆ = 2СН₃СНОНСООН + 18 ккал.

В процессе молочнокислого брожения также освобождается небольшая часть потенциальной энергии сахара, а значительный запас ее остается в молочной кислоте.

В процессе маслянокислого брожения углеводы разлагаются на масляную кислоту, углекислый газ, водород

C₆H₁₂O₆ = C₃H₇COOH + 2СО₂ + 2Н₂ + 15 ккал.

У разных микроорганизмов эти процессы протекают различно, в зависимости от комплекса ферментов, которым обладают данные организмы. Так, при спиртовом брожении образуется ряд побочных продуктов – глицерин, янтарная, уксусная и другие кислоты, при молочнокислом – этиловый спирт, углекислый газ, уксусная и янтарная кислоты, при маслянокислом – этиловый и бутиловый спирты, ацетон, уксусная кислота и др.

Общее количество выделяющейся при дыхании энергии значительно превышает то количество, которое фактически используется микроорганизмами на их жизненные процессы. Этим и объясняется нагревание субстратов в процессе брожения, самосогревание зерна, сена и т. д. В процессе дыхания микроорганизмы могут выделять в среду не только тепловую, но и химическую, электрическую, лучевую энергии.

Ферменты микроорганизмов. Микроорганизмы отличаются высокой биохимической активностью. Все разнообразные и многочисленные биохимические процессы, протекающие в организме в связи с его обменом веществ, ростом и развитием, совершаются при участии ферментов.

Ферменты отличаются неустойчивостью к воздействию высоких температур, солей тяжелых металлов, высокой кислотности и других факторов внешней среды. Оптимальная температура большинства ферментов находится в интервале 30–40° С. С повышением температуры за пределы оптимальной начинается значительное разрушение ферментов: при температуре 80° С почти все ферменты разрушаются, что объясняется их белковой природой. При понижении температуры скорость ферментативных процессов замедляется, а при замерзании водной среды, в которой протекают ферментативные процессы, наступает их частичное инактивирование.

Оптимальное значение реакции среды для одних ферментов находится в зоне кислой реакции, для других – в нейтральной или щелочной.