Биохимические процессы вызываемые микроорганизмами

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ

 

Спиртовое брожение

 

Брожение – это процессы получения энергии, при которых  отщепляемый от субстрата водород  переносится, в конечном счете, на органические акцепторы. Л.Пастер называл брожение жизнью без воздуха.

Спиртовое брожение – это  процесс превращения в анаэробных условиях сахара в диоксид углерода и этиловый спирт:

 

С6 Н12 О6 -» 2СО2 +2С2 Н5 ОН

 

Этиловый спирт – один из широко распространённых продуктов  сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, которые выращивают в анаэробных условиях, подбирая соответствующие  расы, обладающие необходимыми свойствами для данного производства. В результате химической реакции образуется уксусный альдегид и СО2

С02 является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора  водорода. Он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД Н2 регенерируется (окисляется) в НАД.

закваска молочнокислый бактерия аэробный

2СН3СНО + 2НАД Н2 -» 2СН3СН2ОН + 2НАД

 

Реакция восстановления уксусного  альдегида в этиловый спирт является завершающим этапом спиртового брожения.

Наряду с основным продуктом (этиловым спиртом) в небольшом количестве образуются побочные продукты - глицерин, уксусный альдегид, сивушные масла. В  состав сивушных масел входят пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, амиловый(пентанол) и изоамиловый(триметилбутанол) спирты, представляющие собой продукты нормального бродильного метаболизма дрожжей и обнаруживающиеся при росте дрожжей на любых средах. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. Дрожжи способны сбраживать помимо глюкозы и пировиноградную кислоту. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пировиноградной кислоты образуется ацетальдегид; если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, добавить бисульфит, то появится новый продукт – глицерин, однако при этом снижается выход этилового спирта и СО2.

На условия спиртового брожения влияют многие факторы: химический состав сбраживаемой среды, содержание спирта, температура, наличие посторонних микроорганизмов.

Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов – сахарозу и мальтозу. Пентозы сбраживаются только некоторыми дрожжами. Дрожжи не могут сбраживать крахмал, так как они не образуют амилолитических ферментов.

Наиболее благоприятная  концентрация сахара-10-15%, при 30-35% брожение прекращается. Энергией брожения называется способность определённого количества дрожжей сбраживать за определённый промежуток времени то или иное количество сахара.

Хорошим источником азота  для большинства дрожжей являются аммонийные соли, но дрожжи могут использовать также аминокислоты и пептиды. Брожение протекает в кислой среде при  pH 4-5 .В щелочной среде повышается выход глицерина, t = 28-30°С.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре  около 30°С; при температуре 45-50°C брожение прекращается в результате гибели клеток дрожжей. Снижение температуры приводит к замедлению брожения, но полностью оно не прекращается даже при температуре ниже 0°C.

Использование спиртового брожения лежит в основе производства этилового  спирта, пива, вина и пекарских дрожжей.

Верховые дрожжи - ведут  процесс при t = 25-28°C. Образуется пена, дрожжи выносятся наверх, а в конце  оседают на дно (производство спирта, хлебопечение).

Низовые дрожжи - ведут процесс  при t = 5-10°С, пена незначительная, дрожжи оседают на дно в процессе брожения (пивоварение, виноделие).

В производстве спирта используют спиртоустойчивые расы дрожжей (до 18-20% спирта). В хлебопечении используют прессованные, сухие, а также жидкие дрожжи. Хлебопекарные дрожжи должны обладать мальтазной активностью и образовывать большое количество С02.

В производстве этилового  спирта для пищевых целей используют разное сырьё трёх основных групп: содержащее сахар ( сахарная свекла, кормовая патока, или меласса, сахарный тростник, фруктовые  соки); содержащее крахмал ( картофель, земляная груша, кукуруза, ячмень, овёс, рожь, пшеница); содержащее целлюлозу( древесина и сульфитные щелока).

Крахмалосодержащее сырьё  разваривают и подвергают осахариванию. Источником амилолитических ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зёрен ячменя, или 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 - сусло.

В полученное сусло вносят дрожжи, чаще всего применяют расы Saccharomyces cerevisiae, которые обладают высокой энергией брожения.

По окончании брожения дрожжи отделяют от сброженных заторов, а спирт отгоняют на специальных перегонных аппаратах. Получается спирт-сырец и остаётся отход производства – барда, которую используют для получения кормовых дрожжей.

Спирт-сырец используют как  для технических целей, так и  для дальнейшей очистки - ретефикации.

Для получения технического спирта используют гидролизаты древесины и другие отходы целлюлозно-бумажной промышленности. В настоящее время технический спирт получают также синтетическим путем - из побочных продуктов переработки нефти (этилена).

В производстве пива основным сырьем является ячменный солод. Из солода, воды и хмеля готовят пивное сусло, сусло подвергают брожению специальными видами (расами) пивных дрожжей. Это  хлопьевидные дрожжи низового брожения. В процессе получения пива два периода брожения – главное ( при температуре 6-10 °C дрожжи активно размножаются и интенсивно сбраживают сахар) и дображивание (сливают с дрожжевого осадка и оставляют при температуре около 1°C).

Созревшее пиво осветляют, а  дрожжи удаляют путём фильтрования или центрифугирования и направляют на розлив.

В производстве вин исходным материалом служат виноградный и плодово-ягодные соки. Все соки являются хорошей питательной средой для микроорганизмов. Соки сульфитируют (обрабатывают SO2), а затем подвергают брожению. Применяются специальные расы дрожжей для получения разных сортов вин.

 

Пропионово-кислое брожение

 

Пропионово-кислое брожение вызывается пропионово-кислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium. Единственным источником энергии для них является процесс сбраживания разнообразных веществ – моносахаридов (гексоз и пентоз), молочной или яблочной кислоты, глицерина и других, которые превращаются в пропионовую и уксусную кислоты, диоксид углерода и воду. Они широко представлены в молочных продуктах, в почве.

Пропионово-кислые бактерии родственны по ряду свойств гетероферментативными молочнокислыми бактериями и часто развиваются совместно с ними.

Пропионово-кислые бактерии – это небольшие, неподвижные  палочки, слегка искривлённые, не образующие спор, грамположительные, факультативные анаэробы. Они, как и молочнокислые  бактерии, не встречаются в почве  и водоёмах. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных, а также в молоке.

Практическое использование  пропионово-кислого брожения. Оно  используется для получения сыров  в молочно-сыродельных производствах. Вначале казеин молока подвергают коагуляции под действием сычужного фермента, выделяемого из желудка жвачных  животных. Затем сгустки отделяют от сыворотки, прессуют, выдерживают  в растворе соли и оставляют для  созревания.

В первую фазу созревания в  сгустке казеина протекает молочнокислое  брожение, при этом лактоза превращается в молочную кислоту. Затем наступает  вторая фаза созревания сыров –  пропионово-кислое брожение, когда  сбраживается образовавшаяся молочная кислота. В результате образуются летучие  кислоты – уксусная и пропионовая, придающие сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков диоксид углерода образует «глазки» в сыре. Производство сыра продолжается 2-3 месяца минимум, лучшие сорта выдерживаются почти до года. На больших сыродельческих предприятиях вместо самопроизвольного созревания сыра при участии естественной микрофлоры молока применяют специальные закваски, иногда с введением мицелиальных грибов, например P.roqueforti при производстве сыра «Рокфор».

У пропионово-кислых бактерий обнаружена способность к активному  синтезу витамина В12, который накапливается  внутри клеток. Эта особенность используется для промышленного получения  витамина В12 на отходах производства (молочной сыворотке и др.) с добавлением  кукурузного экстракта в качестве витаминов.

Пропионовую кислоту используют при хранении зерна и хлеба. В концентрации 0,5% она задерживает рост плесневелых грибов.

Зерно, обработанное слабым раствором пропионовой кислоты, не плесневеет даже при повышенной влажности. Пропионовая кислота предотвращает плесневение хлеба. Её 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. Она придаёт хлебу нежно-кислый вкус и предотвращает его плесневение.

 

Разложение жира и жирных кислот. Разрушение. Возбудители, условия. Практическое значение

 

Естественные жиры и жирные масла растительного и животного  происхождения представляют собой  твёрдые и полутвёрдые (жиры) или  жидкие (масла) триглицериновые смеси. Животные жиры, кроме жиров морских животных и молочного жира, состоят из насыщенных высших жирных кислот: пальмитиновой и стеариновой, а растительные масла содержат ненасыщенные жирные кислоты: масляную, линолевую, линоленовую.

По сравнению со многими  другими пищевыми продуктами чистые жиры и масла значительнее подвержены порче в результате химических превращений, чем в результате жизнедеятельности  организмов. Это связано с тем, что микроорганизмы содержат недостаточное  количество ферментов, расщепляющих жиры. В чистых жирах и маслах отсутствует  вода, жизненно необходимая микроорганизмам, мало и минеральных питательных  веществ. Несмотря на это, в свином жире, содержащем всего 0,3% воды, встречаются  липофильные бактерии, образующие липазы, микрококки и споры Asp. niger.

Порча жиров ускоряется многими  факторами: светом, кислородом влажностью. В процессах ферментативного  расщепления жиров могут участвовать  не только микроорганизмы, разрушающие  жиры, но и ферменты, содержащиеся в  сами пищевых продуктах. Испорченные  жиры и масла называют прогорклыми. Из-за неприятного запаха и вкуса  они непригодны для питания людей. Прогорклость жира вызывается окислительными и гидролитическими процессами, которые  чаще всего протекают одновременно. Главной причиной прогорклости является окисление ненасыщенных жирных кислот под действием липоксигеназ , что ведёт к образованию альдегидов и кетонов. Кислотная прогорклость происходит из-за гидролитического расщепления триглицеридов с освобождением жирных кислот. Низкомолекулярные жирные кислоты, например масляная кислота, которая содержится в большом количестве в маслах, является дуронопахнущей водорастворимой жидкостью с острым вкусом.

Глицерин, накапливаемый  в жирах при полном их ферментативном гидролизе микроорганизмами, хорошо используется и потребляется бактериями.

Трудно расщепляемые жирные кислоты, освобождающиеся при разложении жира, переходят в субстрат, накапливаются  и подвергаются дальнейшим превращениям.

Жирные кислоты, имеющие  среднюю длину цепей с 4-12 атомами  углерода, могут расщеплять бактериями и гифомицетами до метилкетонов, которые интенсивно воздействуют на органы чувств, так как они ответственны за неприятный запах и вкус прогорклых продуктов. Метилкетоны могут превращаться с помощью редуктаз грибов во вторичные спирты.

Витамин Е и другие антиоксиданты могут препятствовать окислению жиров. Порча фосфатидсодержащих пищевых продуктов происходит в результате гадролиза с образованием 3-метиламинаN(CH3) 3 , из которого путём окисления получается окись 3-метиламина, придающая характерный привкус рыбе.

В прогорклых жирах и маслах также встречаются моно- и диглицериды , окси- и гидрооксижирные кислоты, вторичные спирты и лактоны.

Прогорклость воспринимается органами чувств человека как весьма неприятное свойство продукта. Даже незначительное содержание прогорклого жира может  привести к невозможности потребления  содержащих эти жиры пищевых продуктов. Например, прогорклое кокосовое масло, добавленное даже в очень малых  количествах в выпекаемые изделия, отрицательно сказывается на вкусовых качествах готового продукта. Некоторые  разрушающие жиры микроорганизмы (кокки, споровые бактерии, гифомицеты) образуют жёлтые, красные или коричневые жирорастворимые  пигменты (красящие вещества), которые  путём диффузии попадают в пищевой  продукт и вызывают нежелательное  окрашивание его.

Возбудителями процессов  разложения жира и жирных кислот являются разные бактерии и плесневелые грибы. Среди бактерий к возбудителям процессов  разложения относятся роды Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, Serratia, Proteus и Achromobacter. Все эти бактерии, кроме липаз, синтезируют и другие ферменты, расщепляющие белки и углеводы, поэтому они встречаются во многих пищевых продуктах. Психрофильные роды Pseudomonas и Achromobacter являются причиной порчи пищевых продуктов, содержащих жиры.

Из плесневелых грибов значительной липолитической активностью обладают виды Odium lactis , Cladosporium herbarum , Candida lipolitica, Aspergillus, Penicillium, Fusarium и другие. Так как они менее требовательны к влажности, чем другие плесневелые грибы, они играют большую роль при разрушении жиров и масел, а также пищевых продуктов с большим содержанием жиров, таких, как орехи, майонезы, хлебобулочные изделия, масличные семена и другие, нанося большой ущерб.

Для повышения стойкости  продукта к прогорканию, особенно при длительном хранении, используют холод. Для маргаринов разработаны специальные пастеризационные установки. В майонезы, которые особенно легко разрушаются бактериями, дрожжами гифомицетами, допускается в ограниченном количестве добавление химических консервантов ( бензойной кислоты и её дериватов). Благоприятные условия создаёт герметичная упаковка, так как разрушающие жир микроорганизмы являются в основном аэробами.