11.1 Спиртовое брожение. Химизм, условия проведения процесса.
Возбудители. Практическое использование спиртового брожения Спиртовое брожение – микробиологический процесс превращения углеводов в спирт и углекислый газ. Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, некоторыми бактериями и отдельными представителями мукоровых грибов.
Суммарное уравнение реакции: С6 H12 O6 → 2 СНзCH2 ОН + 2 СО2 + Е глюкоза этиловый спирт Как и любое брожение, это сложный многоступенчатый процесс (см.
раздел 7.3), который протекает при участии комплекса ферментов. Наряду со
спиртом, могут образовываться побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная, яблочная кислоты, сивушные масла (смесь высших кислот).
Основными возбудителями спиртового брожения являются дрожжи – сахаромицеты.
Это факультативно-анаэробные микроорганизмы. В аэробных условиях дрожжи получают энергию путем полного окисления моно- и дисахаридов до углекислого газа и воды, т.е. путем аэробного дыхания. При этом интенсивно накапливается биомасса (эффект Пастера). Поэтому производство хлебо-
пекарных дрожжей ведут в аэробных условиях. Ацидофилы. Мезофилы.
Естественным местообитанием дрожжей является поверхность плодов и ягод, сок и поверхность листьев, нектар, вода, почва, кожные покровы и пищеварительный тракт людей и животных.
Условия проведения спиртового брожения
1. Источники питания. В качестве источника углерода используют глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу. Крахмал дрожжи не сбраживают, так как амилолитические ферменты у них отсутствуют. Поэтому крахмалсодержащее сырье подвергают осахариванию при участии амилаз различного происхождения. Концентрация сахара 10–15% наиболее благоприятна для большинства дрожжей. В качестве источника азота используются аммонийные соли органических кислот и аминокислоты.
2. Анаэробные условия.
3. Температура. По отношению к температуре сахаромицеты делятся на низовые и верховые дрожжи. Дрожжи верхового брожения вызывают бурное и быстрое брожение при температуре 20–28 °С. При этом они всплывают на поверхность под действием выделяющегося диоксида углерода. Низовые дрожжи осуществляют более спокойное брожение, которое ведут при 5–10 °С.
4. Концентрация этилового спирта. Этиловый спирт, накапливающийся в среде, оказывает неблагоприятное действие на дрожжи. Угнетающее действие спирт оказывает уже при концентрации в среде 2–5 % об., а при 12–15 % об. брожение прекращается.
5. Активная кислотность среды (рН). Спиртовое брожение протекает в кислой среде (рН 4–4,5). При подщелачивании среды до рН 8 дрожжи в качестве основного продукта брожения накапливают не спирт, а глицерин. Это так называемая глицериновая форма спиртового брожения: 2С6Н1206 → 2CН20HCHOHСН20Н+СНзСН20Н+СНзСООН+2С02 + Е глюкоза глицерин этиловый уксусная спирт кислота
Практическое использование спиртового брожения Спиртовое брожение лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина, используется в хлебопечении. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при производстве кваса, кефира, кумыса. Основными потребителями этилового спирта являются пищевая и химическая промышленность, а также медицина.
11.2 Молочнокислое брожение: гомо- и гетероферментативное.
Химизм процесса. Характеристика молочнокислых бактерий. Практическое значение молочнокислого брожения
Молочнокислое брожение – процесс превращения углеводов молочнокислыми бактериями в молочную кислоту.
Возбудители молочнокислого брожения подразделяются на 2 группы: гомоферментативные и гетероферментативные, которые, в свою очередь, вызывают гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение. В основу этого деления положены конечные продукты, образуемые при гомо- и гетероферментативном молочнокислом брожении.
Гомоферментативное молочнокислое брожение и его возбудители. При гомоферментативном молочнокислом брожении образуется преимущественно молочная кислота.
Химизм процесса: С6H12О6 → 2 СНзСНОНСООН + Е глюкоза молочная кислота К гомоферментативным молочнокислым бактериям относятся молочнокислые стрептококки: Streptococcus lactis, Streptococcus cremoris, Streptococcus thermophilus, а также молочнокислые палочки: Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus ptantarum.
Гетероферментативное молочнокислое брожение и его возбудители. Конечными продуктами при этом брожении являются не только мо-
лочная кислота, но и побочные продукты: уксусная кислота, этиловый спирт, янтарная кислота, диоксид углерода, водород. Суммарное уравнение процесса имеет вид: С6H12О6 → СНзСНОНСООН + СООНСН2СН2СООН + СНзСООН + глюкоза молочная кислота янтарная кислота уксусная кислота +СНзСН2ОН + C02+Н2 +Е этиловый спирт К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся бактерии рода Streptococcus: Streptococcus diacetilactis, Streptococcus acetoinicus; бактерии рода Lactobacillus: Lactobacillus brevis, Lactobacillus helveticus, а также бактерии рода Leuconostoc: Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc cremoris.
Характеристика молочнокислых бактерий Все молочнокислые бактерии - грамположительные, факультативные анаэробы. Среди молочнокислых бактерий есть мезофилы (предпочитают температуру около 30 °С) и термофилы (Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus), оптимальной температурой для которых является температура около 40–50 °С.
Молочнокислые бактерии отличает высокая требовательность к питательной среде: они нуждаются в полном наборе готовых аминокислот, в витаминах группы В12, в компонентах нуклеиновых кислот, что и определяет их распространение в природе.
Молочнокислые бактерии обитают в основном на растениях, плодах, овощах, в желудочно-кишечном тракте, в молоке и молочных продуктах, а также в местах разложения растительных остатков.
В качестве источника углерода используют лактозу, мальтозу. Оптимальное значение рН для развития молочнокислых бактерий около 4. Молочнокислые бактерии образуют от 1 до 3,5 % молочной кислоты.
Практическое значение молочнокислого брожения Оно находит широкое применение при изготовлении кисломолочных
продуктов, сливочного масла, маргарина, используется в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов и производстве молочной кислоты.
Многие мезофильные гетероферментативные молочнокислые бактерии и лейконосток являются вредителями в производстве спирта, пива, вина, безалкогольных напитков, сахара и др.
11.3 Пропионовокислое брожение. Химизм процесса, возбудители.
Практическое использование пропионовокислого брожения Пропионовокислое брожение 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: ЗС6H12О6 → 4СНзCH2СООН + 2СНзСООН + 2CO2 + 2H2O +Е 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 В12, 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.
Химизм процесса: С6H12О6 → СНзСН2СН2СООН + 2 С02 + 2Н2 +Е 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, метиловый) 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 кондитер-
ской, 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.
11.5 Уксуснокислое брожение. Химизм процесса. Возбудители.
Практическое использование и роль в процессах порчи пищевых продуктов Уксуснокислое брожение – аэробное окисление углеводов и спирта уксуснокислыми бактериями в уксусную кислоту. Таким образом, это брожение относится к неполным окислениям или окислительным брожениям. Суммарное уравнение процесса имеет вид:
С6H12O6 + 2 02 → 2СНзСООН + 2CO2 + 2Н20 + Е или глюкоза уксусная кислота СНзСН2ОН + O2 → СНзСООН + Н2О + Е этиловый спирт уксусная кислота Возбудителями уксуснокислого брожения являются уксуснокислые бактерии, относящиеся к двум родам: Gluconobacter и Acetobacter. Это короткие, подвижные грамотрицательные палочки, не образующие спор. Оптимальная температура развития – 30˚ С. Бактерии кислотоустойчивы, оптимальное значение рН для развития 5,4–6,3. Обитают на цветах, зрелых фруктах, ягодах, овощах, в прокисших соках, пиве, вине, квашенных овощах.
Практическое значение уксуснокислого брожения Используется в промышленности для получения натурального спиртового уксуса (продуцент Acetobacter aceti). Кроме того, производят также винный уксус (из вина) и яблочный уксус (из яблочного сока).
С другой стороны, уксуснокислые бактерии являются вредителями
спиртового, пивоваренного, консервного производств, виноделия, производства безалкогольных напитков
11.6 Окисление жиров и высших жирных кислот микроорганизма-
ми. Микроорганизмы - возбудители порчи жиров Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.
Так как жиры – высокомолекулярные соединения, то в неизменном виде внутрь клетки они попасть не могут. Поэтому вначале происходит гидролиз жира при участии фермента липазы, которая имеется у многих микроорганизмов. В результате образуются глицерин и высшие жирные кислоты. Этот процесс не обеспечивает клетки энергией, поэтому образовавшиеся продукты гидролиза используются различными микроорганизмами в качестве энергетического материала. Процесс протекает только в аэробных условиях.
Глицерин подвергается окислению уксуснокислыми бактериями до диоксиацетона и далее микроскопическими грибами до углекислого газа и воды.
Высшие жирные кислоты окисляются труднее и медленнее. В процессе окисления образуются промежуточные продукты: кетоны, альдегиды, оксикислоты и др., которые придают окисленному жиру прогорклый вкус.
Возбудители. Наиболее активными микроорганизмами в процессе разложения жира являются бактерии рода Pseudomonas, особенно флуоресцирующие (продуцирующие пигменты) и мицелиальные грибы: Oidium lactis, многие виды Aspergillus, Penicillium.
Практическое значение процесса Процесс разложения жиров отмерших животных и растений происходит постоянно и имеет большое значение в круговороте веществ в природе.
С другой стороны, в пищевой промышленности микроорганизмы, окисляющие жиры, приносят вред, вызывая порчу пищевых жиров и жира, содержащихся в различных пищевых продуктах.
Следует учитывать, что многие жирорасщепляющие микроорганизмы яв-
ляются психрофилами, поэтому способны развиваться при хранении пищевых продуктов в охлажденном состоянии.
11.7 Гнилостные процессы. Понятие об аэробном и анаэробном гни-
ении. Возбудители. Роль гнилостных процессов в природе, в пищевой промышленности Гниение – процесс глубокого разложения белковых веществ. Одним из конечных продуктов разложения белковых веществ является аммиак, поэтому процесс гниения называют аммонификацией.
Белки – высокомолекулярные соединения, поэтому вначале они подвергаются внеклеточному расщеплению протеолитическими ферментами микроорганизмов, которые являются экзоферментами.
Расщепление белков происходит ступенчато: белки → пептоны → полипептиды → аминокислоты. Образовавшиеся аминокислоты диффундируют внутрь клеток и могут быть использованы как в конструктивном, так и в энергетическом обмене.
Расщепление аминокислот начинается путем их дезаминирования и декарбоксилирования. При дезаминировании аминокислот происходит отщепление аминогруппы с образованием аммиака, органических кислот (масляной, уксусной, пропионовой, окси- и кетокислот) и высокомолекулярных спиртов.
В дальнейшем образование конечных продуктов зависит от условий протекания процесса и от вида микроорганизма – возбудителя гниения.
Аэробное гниение. Протекает в присутствии кислорода воздуха. Конечными продуктами аэробного гниения являются, кроме аммиака, диоксид углерода, сероводород и меркаптаны (обладающие запахом тухлых яиц). Сероводород и меркаптаны образуются при разложении серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина).
Анаэробное гниение. Протекает в анаэробных условиях. Конечными продуктами анаэробного гниения являются продукты декарбоксилирования аминокислот (отнятие карбоксильной группы) с образованием дурно пахну-
щих веществ: индола, акатола, фенола, крезола, диаминов (их производные являются трупными ядами и могут вызывать отравления).
Возбудители гнилостных процессов Возбудителями аэробного гниения являются спорообразующие бактерии рода Bacillus: Bacillus mycoides (грушевидная бацилла); Bacillus megaterium (капустная бацилла); Bacillus mesentericus (картофельная палочка); Bacillus subtilis (сенная палочка), а также неспорообразующие палочки: Serrate marcencens (чудесная палочка); Proteus vulgaris (палочка протея); Escherichia coli (кишечная палочка) и другие микроорганизмы.
Возбудителями анаэробного гниения являются анаэробные споровые папочки рода Clostridium (протеолитические клостридии): Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum.
Практическое значение гнилостных процессов Гнилостные микроорганизмы нередко наносят большой ущерб народному хозяйству, вызывая порчу богатых белками продуктов питания: мяса и мясопродуктов, яиц, молока, рыбы и рыбопродуктов и др.
В природе (в воде, почве) гнилостные бактерии активно разлагают отмершие животные и растительные ткани, минерализуют белковые вещества и тем самым играют важную роль в круговороте углерода и азота.
Вопросы для самопроверки
1. Каков химизм спиртового брожения?
2. Каковы условия нормального протекания спиртового брожения?
3. Чем отличаются дрожжи верхового брожения от дрожжей низового брожения?
4. При каких условиях дрожжи осуществляют глицериновую форму спиртового брожения?
5. Охарактеризуйте возбудителей молочнокислого брожения.
6. В чем отличие гомоферментативного молочнокислого брожения от гетероферментативного?
Какие гомоферментативные молочнокислые бактерии Вы знаете? 10 Какие гетероферментативные молочнокислые бактерии Вы знаете?
11 Где в природе встречаются молочнокислые бактерии?
12 Охарактеризовать практическое значение молочнокислого бро-
жения в пищевой промышленности, в природе.
11. Каково практическое значение пропионовокислого брожения?
12. Какие микроорганизмы являются возбудителями пропионовокислого брожения?
13. Охарактеризуйте возбудителей маслянокислого брожения.
14. На какие группы делятся маслянокислые бактерии?
15. Охарактеризуйте уксуснокислое брожение.
16. Какие микроорганизмы являются возбудителями уксуснокислого брожения?
17. Каким образом микроорганизмы окисляют жиры и жирные кислоты?
18. В чем сущность гнилостных процессов?
19. Какие продукты образуются при аэробном и гниении?
20. Укажите возбудителей анаэробного гниения.
21. В чем заключается эффект Пастера?
22. Назовите конечные продукты гетероферментативного молочнокислого брожения.
23. Где обитают пропионовокислые бактерии? 24.Какие конечные продукты образуются при анаэробном гниении? 25.Какова роль маслянокислых бактерий в природе, в пищевой промышленности?
26. Назовите конечные продукты пропионовокислого брожения.
27. Что образуется в результате окисления микроорганизмами жиров и высших жирных кислот?