1. Бродіння
До бродіння в строгому сенсі слова відносяться ті процеси отримання енергії, при яких водень, що відщеплюється від субстрату переноситься в кінцевому рахунку на органічні акцептори. Кисень у процесах бродіння не бере участь.
Причини бродіння були встановлені ще в середині XIX в. Л. Пастером, який показав, що в аеробних умовах дріжджі утворюють з певної кількості цукру приблизно в 20 разів більше клітинного матеріалу, ніж в анаеробних. Л.Пастер називав бродіння життям без повітря. Він відкрив також, що кисень пригнічує бродіння. Цей ефект, що отримав назву ефекту Пастера, набув з тих пір популярність як один із класичних прикладів регулювання обміну речовин.
У 1896-1897 рр. було виявлено "безклітинне бродіння" – бродіння, що викликається розтертими пресованими пивними дріжджами. Це перший складний біохімічний процес, здійснений поза клітиною. Пізніше було встановлено, що для зброджування глюкози дріжджам необхідний неорганічний фосфат.
Інакше кажучи, бродіння – процес перетворення з'єднань вуглецю як в анаеробних, так і аеробних умовах.
.1. Спиртове бродіння.
Спиртове бродіння – це процес перетворення в анаеробних умовах цукру в діоксид вуглецю та етиловий спирт: С6Н12О6 à 2СО2 + 2С2Н5ОН
Етиловий спирт – один з широко поширених продуктів зброджування цукрів мікроорганізмами. Навіть рослини і гриби в анаеробних умовах накопичують етиловий спирт.
Розглянемо хімізм спиртового бродіння. Збудниками спиртового бродіння є дріжджі, які вирощують в аеробних умовах, підбираючи відповідні раси, що володіють необхідними властивостями для данного виробництва.
Процес спиртового бродіння здійснюється з тим же запасом енергії у формі АТФ і тим же ферментативним шляхом, що і гліколіз, аж до утворення піровиноградної кислоти. Перетворення піровиноградної кислоти в етиловий спирт відбувається у два етапи. Спочатку піруват (піровиноградна кислота) декарбоксилюється піруватдекарбоксилазою за участю тіамінпірофосфата до ацетальдегіду, а потім ацетальдегід відновлюється алкогольдегідрогеназою в етанол за участю NADH2).
При цьому дріжджі отримують енергію для розвитку біохімічних процесів в клітині:
глюкоза à етиловий спирт + CO2 + 166 кДж/моль.
З енергетичної точки зору бродіння – процес малоефективний. Так, якщо при окисленні 1 грамму молекули глюкози до СО2 і Н2О в процесі аеробного дихання синтезується 36 моль АТФ, то в процесі спиртового бродіння – всього 2 моль АТФ.
Дріжджі можуть переключати один тип обміну речовин (аеробний) на іншій (анаеробний).
Поряд з основними продуктами бродіння – етиловим спиртом і СО2 – утворюються побічні продукти: гліцерин, оцтовий альдегід, оцтова кислота, янтарна кислота, а також так звані сивушні масла. До складу сивушних масел входять пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, аміловий (пентанол) і ізоаміловий (триметилбутанол) спирти, що представляють собою продукти нормального бродильного метаболізму дріжджів і виявляються при рості дріжджів на будь-яких середовищах. Шляхи синтезу цих речовин ще до кінця не вивчені.
Вищі спирти беруть участь у формуванні аромату і смаку напоїв спиртового бродіння. Дріжджі здатні зброджувати крім глюкози і піровиноградну кислоту. В якості проміжного продукту при зброджуванні піровиноградної кислоти утворюється ацетальдегід; якщо до дріжджів, зброджуючим глюкозу, додати бісульфіт, то з'явиться новий продукт – гліцерин, однак при цьому знижується вихід етилового спирту і СО2.
Бродіння в присутності бісульфіту стали використовувати в промисловості при виробництві гліцерину.
На умови спиртового бродіння впливають багато факторів: хімічний склад зброджуваного середовища, тобто його повноцінність, концентрація і кислотність середовища, вміст спирту, температура, наявність сторонніх мікроорганізмів.
Більшість дріжджів здатні зброджувати моносахариди, а з дисахаридів – сахарозу і мальтозу. Пентози зброджуються тільки деякими дріжджами. Дріжджі не можуть зброджувати крохмаль, так як вони не утворюють амілолітичних ферментів.
Найбільш сприятлива концентрація цукру в середовищі для більшості дріжджів становить 10... 15%. При підвищенні концентрації цукру енергія бродіння знижується, а при 30...35% цукру бродіння зазвичай припиняється. Енергією бродіння називається здатність певної кількості дріжджів зброджувати за певний проміжок часу ту чи іншу кількість цукру. В природі зустрічаються дріжджі, здатні викликати бродіння цукру навіть при концентрації його 50...60% і вище.
Гарним джерелом азоту для більшості дріжджів є амонійні солі, але дріжджі можуть використовувати також амінокислоти і пептиди.
Бродіння зазвичай протікає в кислому середовищі при рН 4...5. У лужному середовищі в результаті бродіння утворюється гліцерин.
Найбільша швидкість бродіння спостерігається при температурі близько 30 °С; при температурі 45...50 °С бродіння припиняється в результаті загибелі клітин дріжджів. Зниження температури призводить до уповільнення бродіння, але повністю воно не припиняється навіть при температурі нижче 0 °С.
Етиловий спирт, що утворюється в процесі бродіння, несприятливо впливає на дріжджі. Накопичення дріжджами спирту в концентрації 2... 5 % в залежності від виду і раси дріжджів діє на них вже гнітюче. У більшості випадків бродіння припиняється при накопиченні дріжджами 12...14% (об'ємних) спирту. Виведені селекціонерами раси дріжджів, стійкі до накопичення 16... 18 і навіть 20 % спирту.
Використання спиртового бродіння лежить в основі виробництва етилового спирту, пива, вина і пекарських дріжджів.
Для отримання спирту етилового використовують різну сировину трьох основних груп: що містить цукор (цукровий буряк, кормова патока, або меляса, цукрову тростину, фруктові соки); містить крохмаль (картопля, земляна груша, кукурудза, ячмінь, овес, жито, пшениця); містить целюлозу (деревина і сульфітні луга). Сировину використовують в залежності від господарських можливостей; вона повинна бути дешевою і в достатній кількості.
Крохмалевмісну сировину розварюють і піддають оцукренню. Джерелом амілолітичних ферментів служить солодове молоко, виготовляється з пророслих зерен ячменю, або ферментний препарат з грибів роду Aspergillus.
В солоді, крім амілаз, містяться і протеолітичні ферменти, які викликають часткове перетворення білкових речовин у розчинні азотвмісні речовини. У результаті виходить сусло, багате як цукристими речовинами, так і іншими поживними речовинами для дріжджів. Вносять і додаткові джерела живлення. Це робиться завжди за рецептом середовищ для кожного даного виробництва.
У отримане сусло вносять дріжджі, найчастіше застосовують раси Saccharomyces cerevisiae, які швидко розмножуються, спиртостійкі, володіють високою енергією бродіння. Є й інші промислово важливі раси дріжджів.
Після закінчення бродіння дріжджі відокремлюють від зброджених заторів, а спирт відганяють на спеціальних перегінних апаратах. Виходить спирт-сирець і залишається відхід виробництва – барда, яку використовують для отримання кормових дріжджів. Відпрацьовані дріжджі теж використовуються у вигляді рідких і сухих кормових дріжджів.
Спирт-сирець використовують як для технічних цілей, так і для подальшого очищення – ректифікації.
Мікроорганізми в спирт-сирець можуть потрапляти з повітря, сировини, апаратури. Ними можуть бути молочнокислі бактерії і дикі дріжджі, які здатні розвиватися в анаеробних умовах у присутності спирту. Вони використовують поживні речовини середовища, пригнічують дріжджі продуктами свого обміну, при цьому знижується вихід спирту.
Спирт застосовують в медицині, виробництві різних спиртових напоїв. В останні десятиліття спирт розглядають як перспективне паливо. Виробництво спирту на паливо налагоджено в США, Японії, Німеччини, Франції, Швеції, Австралії та інших країнах. У деяких країнах (США, Бразилія) потужність заводів становить
200 тис. л на добу. Спирт є сировиною для хімічної промисловості. Багато вчених вважають, що із зменшенням запасів нафти на зміну нафтохімії прийде алкохімія (хімія біоетанолу).Основною сировиною для отримання пива є ячмінний солод, який отримують з пророщених зерен ячменю (солодорощення). Амілази солоду, що містяться в ньому, розщеплюють крохмаль на більш прості вуглеводи – мальтозу і декстрин, а протеази частково перетворюють білок, що міститьсяв ньому, в азотисті з'єднання, засвоювані дріжджами.
До солоду додають несоложений ячмінь, рис, кукурудзяне борошно, воду, хміль і отримують пивне сусло. Пивне сусло є повноцінним поживним середовищем для дріжджів. Речовини хмелю володіють антибактеріальною дією і надають пиву специфічної гіркоти і аромату.
Для отримання більшості сортів пива використовують переважно дріжджі низового бродіння (раси Saccharomyces carlsbergensis), для деяких сортів пива – дріжджі верхового бродіння (Saccharomyces cerevisiae). Бродіння, яке викликається низовими дріжджами, протікає повільно і спокійно, ведуть його при порівняно низьких температурах – від 5 до 10 °С. Газ виділяється поступово, піни утворюється менше, дріжджі не виносяться на поверхню зброджуваного середовища і швидко осідають на дно бродильних ємностей. Бродіння, яке викликається верховими дріжджами, протікає бурхливо і швидко при температурі 20...28 °С. На поверхні бродячої рідини утворюється багато піни. Під дією виділяємого СО2 дріжджі виносяться у верхні шари субстрату. Після закінчення бродіння дріжджі осідають на дно бродильних ємностей рихлим шаром.
Процес отримання пива йде в два етапи, тобто здійснюється два періоди бродіння – головне і доброджування.
В процесі головного бродіння при температурі від 6 до 10 °С дріжджі активно розмножуються і інтенсивно зброджують цукор. Отримують так зване зелене (незріле) пиво. Його зливають з дріжджового осаду і направляють на доброджування при температурі близько 1 °С. Дріжджі, що залишилися в зеленому пиві, майже не розмножуються і повільно зброджують цукор, що залишився. Накопичуються діоксид вуглецю, 3...6 % (по масі) етилового спирту, побічні продукти бродіння: вищі спирти, органічні кислоти, діацетил, ефіри. Всі вони беруть участь у формуванні смаку і аромату пива.
Дозріле пиво освітлюють, а дріжджі видаляють шляхом фільтрування або центрифугування і направляють на розлив. Хімічний склад та смакові властивості різних сортів пива залежать від використовуваної сировини, використаної раси дріжджів і технології виробництва.
Частину дріжджів, що осіли на дно бродильних ємностей, знову використовують для отримання пива, частину випускають у вигляді рідких або сухих пивних дріжджів в якості продукту, багатого вітамінами В1, В2, В6, РР, пантотенової кислоти, а частина йде на корм тваринам.
Пиво – швидкопсувний продукт. Для збільшення терміну зберігання пива його пастеризують, іноді додають хімічні консерванти (сорбінову кислоту, юглон), обробляють струмами НВЧ.
Для отримання вина початковою сировиною служать виноградний сік, а також плодово-ягідні соки. Всі соки є гарним поживним середовищем для різних мікроорганізмів. Для позбавлення від шкідливої мікрофлори і від диких дріжджів соки сульфітують (обробляють сірчистим ангідридом SO2), а потім піддають бродінню. Сірчистий ангідрид грає роль як антисептика, так і антиокисника. Він пов'язує кисень, при цьому знижується окислювально-відновлювальний потенціал середовища, що перешкоджає розвитку аеробної мікрофлори і сприяє бродінню.
Бродіння соків для виготовлення вин здійснюють із застосуванням чистих культур винних дріжджів низового бродіння S. ellipsoideus а для вин хересного типу ще й S. oviformis.
Для отримання певних вин вибирають виробничі раси дріжджів, що відповідають наступним вимогам: вони повинні повністю зброджувати сусло, бути стійкими до підвищеного вмісту цукру і спирту, до SO2, низького рН, швидко осідати після бродіння і давати щільний осад.
Різні раси S. vini, селекціоновані для визначених типів вин, володіють різною температурною оптимальністю бродіння, утворюють різну кількість спирту (10...18%), різні побічні продукти, що відображається на смакових і ароматичних властивостях вин.
Для запобігання вин від мікробнго псування їх пастеризують – вводять антисептики (SO2, сорбінову кислоту), обробляють ультразвуком, ультрафіолетом.
На всіх бродильних виробництвах якість і вихід готової продукції в значній мірі залежать від загального санітарного стану виробництва. На всіх підприємствах повинен підтримуватися строгий санітарний режим, а також проводитися постійний мікробіологічний контроль на всіх стадіях виробничого процесу, включаючи приміщення, тару і т.п.
Дріжджі пекарські, (раси S. cerevisiae) пресовані і сухі для виробництва хлібобулочних виробів отримують на спеціалізованих дріжджових заводах. При отриманні пекарських дріжджів в якості поживного середовища використовують очищену і розбавлену водою мелясу – відхід бурякоцукрового виробництва. До меляси, що містить все необхідне для дріжджів, додатково додають азот і фосфоровмісні солі. Дріжджі розмножуються при температурі близько 30 °С, рН 4,5...5,5, при безперервній аерації. Дріжджі дихають і активно розмножуються, а не бродять. Велика частина цукру використовується ними для синтезу речовин клітини.
Вирощену масу дріжджів відокремлюють від середовища, промивають водою, згущують і пресують до вмісту вологи 73...75 %. Отриману дріжджову масу формують у вигляді брикетів з вмістом дріжджових клітин від 8 до 12 млрд. 1 г. Брикети пакують в папір і охолоджують до температури 4 °С. Сухі дріжджі випускають вологістю 8... 10 %.
Використовувані раси пекарських дріжджів повинні добре розмножуватися, володіти високою бродильною активністю, бути стійкими при зберіганні в пресованому вигляді і при висушуванні. В даний час використовують наступні раси пекарських дріжджів: Київська 21, Одеська 14, гібриди 176 і 196-6. Зберігати пресовані дріжджі слід на холоді.
Молочнокисле бродіння – це процес перетворення молочнокислими бактеріями цукру в молочну кислоту в анаеробних умовах.
Молочнокислі бактерії зазвичай знаходяться в молоці і молочних продуктах, на рослинах, в кишечнику людини та тварин, однак вони не зустрічаються у воді і грунті.
За кінцевим продуктом бродіння молочнокислі бактерії поділяють на дві групи: гомоферментативні і гетероферментативні. У зв'язку з цим існують два види молочнокислого бродіння: гомоферментативне і гетероферментативне.
Гомоферментативне молочнокисле бродіння широко застосовують при виготовленні простокваш, кумису, сквашуванні вершків, отриманні молочної кислоти, при квашенні овочів і силосуванні корму.
При гомоферментативному молочнокислому бродінні відбувається розщеплення глюкози з утворенням двох молекул молочної кислоти:
Глюкоза àмолочна кислота +197 кДж/моль.
Молочна кислота – кінцевий продукту гомоферментативного бродіння – утворюється з піровиноградної кислоти:
Піровиноградна кислота + 2Н2 à молочна кислота.
Якщо кількість утвореної кислоти достатня і рН сягає 4,6, відбувається згортання казеїну, тобто по мірі накопичення молочної кислоти щільність згустку збільшується.
Збудниками гомоферментативного молочнокислого бродіння є бактерії, різні за формою (кулясті і паличкоподібні) і властивостями (мезофільні і термофільні). Наприклад, мезофільні молочнокислі бактерії мають оптимальну температуру росту 25...35°С, а термофільні – 40...45°С. Окремі молочнокислі бактерії холодостійкі і можуть розвиватися при температурі 5 °С і нижче. При нагріванні до 60... 80 °С вони гинуть протягом 10...30 хв, проте є і термостійкі бактерії, які не гинуть при нагріванні до 85 °С впродовж декількох хвилин. Деякі молочнокислі бактерії утворюють слиз, при їхньому розвитку рідкі субстрати стають тягучими.
На розташування клітин бактерій впливають температура і продукти їх життєдіяльності. Наприклад, молоді культури, виращені при оптимальній і більш низькій температурі, представлені стрептококами, більш старі культури, вирощені при оптимальній температурі вищій, представлені диплококами і коками.
Типовим представником молочнокислих бактерій гомоферментативного молочнокислого бродіння є молочнокислий стрептокок – Lactococcus lactis, який знаходиться майже у всіх молочних продуктах, відіграє важливу роль в сквашуванні молока і є основною складовою частиною мікрофлори простокваш. Найчастіше він зустрічається у вигляді коротких ланцюжків і диплококків.
Lc. lactis є факультативним анаеробом, має овальну форму клітини, фарбується за Грамом позитивно, спор і капсул не утворює, має оптимальну температуру росту 30... 35°С. Через 10... 12 год під дією молочнокислого стрептококка у молоці накопичується близько 0,8... 1 % молочної кислоти, і молоко згортається. Кислотність казеїнового згустку за Тернером становить 120 Т.
Молочнокислий стрептокок володіє антимікробною дією, утворює поліпептидні антибіотики – нізини, стійкі до високої температури і здатністю затримувати ріст багатьох грампозитивних мікробів, у тому числі і патогенних (Mycobaсterium tuberculosis). Нізини застосовують в харчовій промисловості.
Вершковий стрептокок (Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoriss) являє собою довгі ланцюжки сферичних клітин. Оптимальна температура росту 25°С, мінімальна – до 10°С, максимальна – 36...38°С. Використовується у заквасках разом з молочнокислим стрептококом для виготовлення сметани, масла, сирів. Деякі штами утворюють антибіотик диплококцин.
Термофільний стрептокок (Str. thermophilus) утворює довгі ланцюжки коків, добре розвивається при температурі 40... 45 °С. Утворює близько 1 % молочної кислоти. Використовується разом з іншими паличкоподібними бактеріями для отримання ряжанки, простокваші "Південна".
Болгарська паличка (Lactobacillus bulgariucus) являє собою великі палички, що часто утворюють довгі ланцюжки. Оптимальна температура росту 40... +45 °С, мінімальна – 15... 20 °С. Є активним кислотоутворювачем, виділяє в молоці 2,5...3,5% молочної кислоти. Використовується при виготовленні простокваші "Південна", кумису. Є антагоністом гнилісної мікрофлори. Для зменшення гнилісної мікрофлори необхідно систематичне надходження болгарської палички в організм.
Ацидофільна паличка (Lb. acidophilus) є постійним супутником шлунково-кишкового тракту молодняку сільськогосподарських тварин, звідки вона і виділяється. Вперше вона була виявлена у фекаліях дитини. Оптимальна температура росту 37...40°С, мінімальна – близько 20 °С. При сквашуванні в молоці накопичується до 2,2 % молочної кислоти. Деякі види мають здатність утворювати слиз. Використовується у виробництві ацидофільних молочнокислих продуктів, утворює антибіотичні речовини, нейтралізує отруйні продукти життєдіяльності гнильних мікроорганізмів.
Дельбрюківська паличка (Lb. delbrueckii) – зернова термофільна паличка, яка зустрічається у вигляді окремих клітин або клітин, сполучених в короткі і довгі ланцюжки. У молоці не розвивається, так як не може зброджувати лактозу. Оптимальна температура росту 45... 50°С, мінімальна – до 20 °С. Утворює до 2,5 % молочної кислоти. Викорис, товується в хлібопеченні і у виробництві молочної кислоти.
Молочнокисла паличка (Lb. plantarum) – паличкоподібні невеликі поодинокі клітини, зчеплені попарно або ланцюжком. Оптимальна температура росту становить 30 °С. При сквашуванні молока утворюється до 1,3 % молочної кислоти. Молочнокисла паличка є основним збудником бродіння при квашенні овочів і силосуванні кормів.
Гетероферментативне молочнокисле бродіння здійснюють гетероферментативні молочнокислі бактерії, крім молочної кислоти утворюють етиловий спирт, СО2, оцтову кислоту, ацетоін і діацетіл.
До гетероферментативних молочнокислих бактерій відносяться гетероферментативні молочнокислі стрептококи, характеристика яких наведена нижче.
Ароматоутворюючі (Lc.lactis subsp. lactis biovar diacetilactis, Lb. brevis) надають кисло-молочним продуктам приємні смак і аромат. Для приготування молочнокислих продуктів ароматоутворюючі стрептококи з'єднують з гомоферментативними – молочнокислим і вершковим. Вони мають майже однакову температуру росту (30 °С). Серед гетероферментативних молочнокислих бактерій є і термофіли – S. thermophilus, які розмножуються при температурі 45°С, що дозволяє використовувати їх з термофільними молочнокислими паличками при виробництві простокваші і таких сирів, як "Російський" і "Швейцарський".
До гетероферментативних молочнокислих стрептококів відноситься рід Leuconostoc. Бактерії, що відносяться до цього роду, являють собою подовжені коки, які можуть бути поодинокими, парними, у вигляді коротких ланцюжків. При бродінні вони утворюють діацетіл. Оптимальна температура росту 20...25°С. Лейконосток вводять в закваски для ароматизації продукту.
Деякі види Leuconostoc є активними слизеутворювачами, виділяючими багато полісахариду декстрину густої слизової консистенції.
До групи гетерофементативних молочнокислих бактерій відноситься рід Bifidobacterium. Паличкоподібні форми виду Bifіdobacterium bifidum (лат. bifidus – роздвоєний) містяться в період молочного вигодовування в шлунково-кишковому тракті дітей і молодняку сільськогосподарських тварин. Біфідобактерії при зброджуванні вуглеводів утворюють молочну і оцтову кислоти – біологічно активні речовини, які пригнічують гнильні і патогенні мікроорганізми. Всі вони суворі анаероби. В даний час їх знаходять у кишковій флорі і дорослих людей.
Використання молочнокислого бродіння пов'язано з антагоністичною і консервуючою дією молочнокислих бактерій. У поживному середовищі вони знижують рН до значень менше 5 і тим самим пригнічують ріст інших анаеробних бактерій, які не можуть розвиватися в настільки кислому середовищі. Молочнокисле бродіння використовують в сільському господарстві, в молочній промисловості, а також при різних заготовках у домашніх умовах.
Велике значення молочнокислі бактерії мають при квашенні овочів, зокрема при приготуванні квашеної (кислої) капусти. У дрібно нарізаній, посипаній сіллю (2... 3 %) і спресованій білокачанній капусті при виключенні доступу повітря починається спонтанне молочнокисле бродіння, в якому беруть участь спочатку Leuconostoc (з утворенням СО2), а пізніше Lactobacillus plantarum.
Молочнокисле бродіння використовують при приготуванні силосу – корму для худоби. Для цього застосовують листя цукрових буряків, кукурудзу, картоплю, люцерну, трави. Рослинну массу пресують, додають до неї мелясу, щоб підвищити співвідношення C/N, і яку-небудь органічну кислоту, щоб заздалегідь забезпечити переважний ріст лактобацил і стрептококів. В результаті отримують чудовий корм для тварин.
Особливо велика роль молочнокислих бактерій в молочній промисловості для отримання великого асортименту молочнокислих продуктів: кислого молока, сметани, сиру, йогурту, кефіру, кумису та ін.
Молочну кислоту використовують в консервній, кондитерській промисловості, у виробництві безалкогольних напоїв як консервант.
Однак треба пам'ятати, що молочнокисле бродіння, яке спонтанно виникає в продуктах (молоці, вині, пиві, безалкогольних напоях) призводить до їх псування: прокисання, помутніння, ослизнення та ін.
Пропіоновокисле бродіння.
Пропіоновокисле бродіння – це перетворення цукру або молочної кислоти та її солей в пропіонову і оцтову кислоти з виділенням СО2 і Н2О в анаеробних умовах.
Пропіоновокислі бактерії мешкають в рубці і кишечнику жуйних тварин (корів, овець), утворюючи там пропіонову і оцтову кислоти. Пропионові бактерії не зустрічаються в молоці, їх не вдається виділити з грунту і природних вод. Для отримання накопичувальної культури цих бактерій поживне середовище з лактатом і дріжджовим екстрактом інокулюють швейцарським сиром та інкубують в анаеробних умовах. У швейцарський сир, в дозріванні якого пропионовокислі бактерії грають важливу роль, визначаючи його смак, вони потрапляють з сичужним ферментом, який застосовується в процесі приготування сиру для згортання молока. Сичужний фермент додають у вигляді водного екстракту з телячих шлунків, який містить безліч життєздатних пропіоновокислих бактерій.
Існує кілька видів пропіоновокислих бактерій, з яких найбільш відомим є Propionibacterium freudenrеchii і його підвиди P.shermanii і P.acidipropionici.
Бактерії роду Propionibacterium представляють собою грампозитивні нерухомі палички, не утворюють спор. Вони облігатні анаероби. Ростуть при температурі 14...35 °С; при температурі 60...70 °С гинуть. Для розвитку вимагають органічні азотисті з'єднання типу білка, набір амінокислот і т.д. Показник рН середовища нижче 4,5... 5,0. При розвитку пропіоновокислих бактерій в сирній масі молочна кислота, яка утворилася молочнокислими бактеріями, перетворюється в пропіонову і оцтову кислоти і СО2. Виділення СО2 викликає утворення сирних "вічок", а пропіонова і оцтова кислоти обумовлюють своєрідний гострий смак і аромат сиру. Якщо консистенція сирного тіста пластична, то вічка утворюються круглі, правильної форми. Якщо сирне тісто крихке, то вічка мають неправильну форму. При попаданні в сир газоутворюючих бактерій у великій кількості виділяється водень, який утворює тріщини і спучування сиру. Пропіоновокислі бактерії здатні виробляти вітамін В12. Цю культуру використовують у біотехнології для отримання цього вітаміну.
Пропіонова кислота використовується як інгібітор пліснявих грибів в харчовій промисловості, при зберіганні зерна і хліба. У концентрації 0,5% пропіонова кислота затримує ріст пліснявих грибів.
Зерно, оброблене слабким розчином пропіонової кислоти, не пліснявіє навіть при підвищеній вологості. Пропіонова кислота запобігає пліснявінню хліба. Її вводять у хліб разом з тістом, для чого спочатку готують пропіоновокислі закваски, в яку входять Propionibact. acidopronionici і Lb. brevis. Через три доби культивування закваски накопичується невелика кількість пропіонової, оцтової і молочної кислот. Цю закваску вносять в тісто. Після випікання хліб містить по 0,1 % пропіонової і оцтової кислот і 0,2 % молочної кислоти по відношенню до маси борошна. Це додає хлібу ніжно-кислого смаку і запобігає його пліснявінню.
Маслянокислое бродіння.
Маслянокислое бродіння – це складний біохімічний процес перетворення цукру маслянокислими бактеріями в анаеробних умовах з утворенням масляної кислоти, діоксиду вуглецю і водню:
Глюкоза à масляна кислота + CO2 + Н2 + 63 кДж/моль
Масляна кислота є летючою рідиною з дуже неприємним запахом. Збудники маслянокислого бродіння широко поширені в природі і належать до роду Clostridium, сімейства Васіllасеае. Клітини грампозитивні, паличкоподібні, форма клітини може змінюватися в залежності від умов середовища. У молодому віці рухливі, мають перитрихіальне джгутикування. Утворює спори, діаметр яких більший діаметру клітини. Маслянокислі бактерії є облігатними анаеробами, однак існують всі перехідні форми: від суворих анаеробів (Cl. pasteurianum, Cl. kluyveri) до майже аэротолерантных (Cl. hisfolyticum, Cl. acetobutylicum). Оптимальна температура росту 30... 40°С, але є термофільні види з оптимальною температурою 60...75°С (Cl. thermoaceticum, Cl thermohydrosulfucicum).
Клостридії ростуть при нейтральній або лужній реакції середовища, тому небажаний ріст маслянокислих бактерій, наприклад у квашеній капусті, силосі, фруктових консервах, сирих ковбасах, можна повністю придушити, якщо продукт підкислити. Клітини клостридій утворюють специфічну запасну речовину – гранулезу у вигляді гранул.
Прототипом бродіння, здійснюваного клостридіями, можна вважати зброджування глюкози Cl. butyricum і Сl. acetobutylicum з утворенням масляної і оцтової кислот, бутанола, етанолу, ацетону, СО2 і Н2. Вихід продуктів варіюється в залежності від умов бродіння.
Для отримання масляної кислоти в промисловому масштабі використовують крохмалвмісну сировину: картоплю, зернові та ін. Крохмаль гідролізують 0,4...0,5%-ною сірчаною кислотою. Після нейтралізації середовища вапном і додавання азотовмісних речовин в поживне середовище вносять маслянокислі бактерії.
Масляна кислота представляє собою безбарвну рідину з неприємним запахом, слабкі розчини цієї кислоти мають специфічний сирний запах. Ефіри масляної кислоти мають приємний аромат: метиловий має яблучний аромат, амілові – ананасовий тощо. Ефіри масляної кислоти як ароматичні речовини використовують у кондитерській і парфумерній промисловості, при виготовленні фруктових напоїв.
Маслянокислі бактерії широко поширені в природі, особливо в ґрунті, мулистих відкладеннях на дні водойм, у скупченнях рослинних залишків.
Ацетонобутиловое бродіння.
Збудником ацетонобутилового бродіння є бактерії виду Cl. acetobutylicum: це анаеробні бактерії, рухливі, грампозитивні, що утворюють спори. В цитоплазмі утворюється гранулеза.
У 1930-х рр. за участю академіка В. Н. Шапошникова був побудований перший ацетонобутиловий завод, на якому мікроорганізми використовувалися як продуценти ацетону і бутилового спирту.
Після відгону з бражки ацетону і спиртів залишаються клітини мікроорганізмів, що містять вітамін В2. В даний час ацетон і бутиловий спирт отримують і хімічним синтезом.
Неповне окислення
Більшість аеробних мікроорганізмів окисляє органічні поживні речовини в процесі дихання до СО2 і води. Оскільки в молекулі СО2 досягається вищий ступінь окислення вуглецю, то говорять про повне окислення і відрізняють цей тип дихання від неповного окислення, при якому в якості продуктів обміну виділяються частково окислені органічні сполуки.
Кінцевими продуктами неповного окислення можуть бути оцтова, лимонна кислоти і ряд інших сполук. Ці продукти схожі з тими, які утворюються при бродінні в анаеробних умовах (масляна, пропіонова кислоти та ін.).
Оцтовокисле бродіння. Оцтова кислота утворюється оцтовокислими бактеріями, що окисляють етиловий спирт до оцтової кислоти (оцту) з виділенням невеликої кількості енергії:
Етиловий спирт àоцтова кислота + Н2О + 494 кДж/моль.
Процес, який здійснюється оцтовокислими бактеріями, – це типове окислення (бродіння) в аеробних умовах, так як оцтова кислота далі піддається окисленню бактеріями до діоксиду вуглецю і води.
Збудником оцтовокислого бродіння є Acetobacter aceti. Оцтовокисле бродіння було відомо з глибокої давнини. Наприклад, у посудині з виноградним вином або пивом з доступом повітря через день-два на поверхні напоїв з'являється сіренька плівка, а пиво і вино каламутніє і прокисає.
Оцтовокислі бактерії – це короткі грамнегативні палички, розташовані ланцюжками. Зустрічаються як рухомі та нерухомі штами. Бактерії є суворі аероби, розвиваються тільки на поверхні субстрату, утворюючи плівку, яка моментально розпадається при легкому погойдуванні рідини. Всі види бактерій об'єднані в рід Acetobacter.
Оцтовокислі бактерії широко поширені в природі. Вони зустрічаються на зрілих плодах, ягодах, в квашених овочах, вині, пиві, квасі.
Оцет (оцтова кислота) є продуктом широкого споживання, особливо у народів, що живуть в більш теплому кліматі.
Спонтанний розвиток оцтовокислих бактерій в вині, пиві, квасі, безалкогольних напоях та інших продуктах призводить до їх псування: прокисання, помутніння, ослизнення.
Оцтовокислі бактерії крім етилового можуть окисляти і інші спирти, наприклад пропіловий спирт в пропіонову кислоту, бутиловий – у масляну.
Лимоннокисле бродіння. До 1890-х рр. лимонну кислоту одержували у вигляді кристалів з соку цитрусових. Проте вихід її становив 1...9 %, що було економічно невигідно.
Після того як лимонна кислота була виявлена в культурах грибів, були розроблені основи отримання її в промисловому масштабі. Було встановлено, що один з видів грибів – Asp. niger – чудово росте на середовищах з початковим рН 2,5... 3,5 і виділяє великі кількості лимонної кислоти. Низький вихідний рН дозволяє уникнути бактеріального забруднення.
Лимонна кислота використовується в кондитерській промисловості, виробництві безалкогольних напоїв, сиропів, в кулінарії, медицині та ін.
Руйнування деревини
Деревина складається з клітковини (50... 55 %), лігніну (18... 30 %), геміцеллюлози (15 %) та деякої кількості смолистих та інших речовин. Суха деревина може довго зберігатися без змін, але у вологому стані вона досить легко вражається різними грибами, переважно трутовими, що відносяться до базидіоміцетів.
Базидіомицети, що руйнують деревину, можна підрозділити на дві групи: збудники бурої гнилі і збудники білої гнилизни.
Збудники бурої гнилі перетворюють деревину в червоно-коричневу масу; вони руйнують головним чином целюлозні і геміцеллюлозні компоненти деревини і не діють на лігнін.
У складських приміщеннях заготовлена і оброблена деревина, використовувана для споруд, а також тара з деревини уражаються дуже активним руйнівником деревини – грибом Serpula lacrymans, боротьба з яким зводиться до профілактичних заходів і обробці деревини антисептиками.
Процеси гниття
Механізм перетворення мікроорганізмами азотовмісних речовин. Азот – один з найважливіших елементів на Землі - входить в складу білків і нуклеїнових кислот, його багато в складі атмосфери, у вигляді органічних і мінеральних сполук азот знаходиться в ґрунті і воді.
В перетвореннях азоту в круговорот речовин у природі велику роль грають мікроорганізми.
Як і інші високомолекулярні сполуки, білки спочатку розщеплюються екзопротеазами мікроорганізмів на фрагменти – полі- і олігопептиди, амінокислоти, які можуть проникати всередину клітини. Наприклад, пептиди, які потрапили всередину клітини, можуть гідролізуватися ендоферментами до амінокислот і потім використовуватися клітиною для синтезу власних білків або піддаватися подальшим змінам і втягуватися в обмін речовин.
Розпад білків супроводжується виділенням аміаку, тому цей розпад називають ще мінералізацією азоту або гниттям. Гниття – це процес глибокого розкладання білкових речовин мікроорганізмами. Гниття викликають численні гриби і бактерії.
Амінокислоти, що утворилися піддаються декарбоксилюванню, дезамінуванню і трансамінуванню.
Дезамінування – процес відщеплення аміаку від амінокислоти. Залежно від подальших перетворень вуглецевого "скелета" амінокислот розрізняють окисне і гідролітичне дезамінування і дезамінування, що закінчується утворенням ненасичених сполук.
Окисне дезамінування – найбільш поширений тип розпаду амінокислот, при якому утворюються кетокислоти і аміак. Гідролітичне дезамінування призводить до утворення оксикислот та аміаку.
Трансамінування супроводжується перенесенням аміногрупи амінокислоти на 2-оксикислоту, при цьому утворюються амінокислоти, які не можуть бути синтезовані шляхом прямого амінування аміаком. Це далеко не всі шляхи розпаду амінокислот.
Подальші перетворення вуглецевого "скелета" у різних амінокислот різні. Утворюється багато різних органічних кислот, спиртів та ін. Такі продукти дезамінування, як піровиноградна, щавелевооцтова, 2-оксиглутарова кислоти є одночасно і проміжними продуктами центральних шляхів катаболізму. Інші з'єднання через спеціальні катаболітичні шляхи залучаються до проміжнго обміну.
При розкладанні деяких амінокислот утворюються такі проміжні продукти, як фенол, крезол, скамол, індол, які мають дуже неприємний запах. При розпаді амінокислот, що містять сірку, виходить сірководень або меркаптани з запахом тухлих яєць, який відчувається навіть при дуже малих концентраціях.
Подальші перетворення азотистих і безазотистих речовин, що утворюються при розпаді амінокислот, залежать від навколишніх умов і складу мікрофлори.
Анаеробні мікроорганізми окислюють амінокислоти з накопиченням проміжних сполук у вигляді органічних кислот, амінів та інших, в числі яких можуть бути речовини, що мають отруйні властивості, а також речовини, що надають гниючому матеріалу огидного запаху.
Мікроорганізми – збудники гниття. Аммоніфікація білкових сполук є першим мікробіологічними процессом по перетворенню азотних сполук в природі, який протікає при температурі не нижче 10 °С з певною вологістю. Аммоніфікація здійснюється різними мікроорганізмами: аеробними, факультативно-анаеробними і анаеробними.
Аеробні мікроорганізми окислюють азотвмісні речовини до повної мінералізації, кінцевими продуктами якої є аміак, СО2, Н2О, сірководень, тощо. До аеробних бактерій відносять Вacillus subtilis, В. megaterium, В. mycoides, Serratia marcescenc.
До факультативно-анаеробних мікроорганізмів відносяться Proteus vulgaris і E.coli.
До анаеробних мікроорганізмів відносяться Clostridium putrificum і Clostridium sporogenes, які є одними з найбільш поширених збудників анаеробного розкладання білків і утворюють велику кількість газів.
Крім бацил і бактерій білок розкладають актиноміцети і гриби, але аммоніфікуюча здатність їх нижча і виражена в різній мірі.
Крім білків ці мікроорганізми здатні розкладати пектинові речовини, полісахариди рослинних тканин, зброджувати вуглеводи.
Вони є збудниками псування багатьох харчових продуктів: м'яса, м'ясопродуктів, риби і рибопродуктів, яєць, молока і ін. Але ці мікроорганізми грають велику позитивну роль в круговороті речовин у природі, мінералізуючи білкові речовини, що попадають у ґрунт і воду.