Міністерство сільського господарства РФ
ФГТУ ВПО
«Оренбурзький державний аграрний університет»
Реферат
з промислової мікробіології
на тему
Особливості пропіоновокислі бродіння: застосування пропіоновокислих бактерій
Підготував: студент
Акжігітов Абай Сарсенгаліевіч
Оренбург - 2010
Зміст
Введення. Загальна інформація про пропіоновокислих бактеріях
Пропіоновокислі бродіння: хімізм та особливості
Використання пропіоновокислих бактерій в промисловості
Висновок
Список літератури
Вступ: загальна інформація про пропіоновокислих бактеріях
Пропіоновокислі бактерії - неспороносні грампозитивні нерухомі палички розміром 0,5-0,8 або 1,0-1,5 мкм (у молодих культурах - викривлені, злегка розгалужені палички, у більш старих - кокковидной форми). Утворюють колонії жовтого, оранжевого або червоного кольору, ростуть як в аеробних, так і в анаеробних умовах.
Пропіоновокислі бактерії споріднені з ряду властивостей гетероферментативних молочнокислим бактеріям Вони, як і молочнокислі бактерії, не зустрічаються в грунті або водоймах. Живуть в основному в рубці і кишечнику жуйних тварин, у молочних продуктах (не в молоці). Пропіоновокислі бактерії - збудники пропіоновокислі бродіння, зброджують глюкозу, лактозу і ін вуглеводи, а також деякі спирти з утворенням пропіонової і оцтової кислот і CO 2. Після молочнокислого бродіння, коли лактоза перетворена на молочну кислоту, починають розмножуватися.
Пропіоновокислі бактерії застосовують для мікробіологічного синтезу вітаміну B 12. Пропіонова бактерії можуть синтезувати гемвмісного білки. У їхніх клітинах виявлені цитохроми.
Конструктивний метаболізм пропіонових бактерій зазнав подальшу еволюцію в бік більшої незалежності від органічних сполук зовнішнього середовища. Пропіонова бактерії характеризуються добре розвиненими Біосинтетичними здібностями і можуть рости на просте синтетичному середовищі з амонійним азотом в якості єдиного джерела азоту при додаванні до середовища пантотенової кислоти і біотину, а для деяких видів і тіаміну. У ряду пропіонових бактерій виявлена здатність до азотфіксації.
Місцеперебування пропіонових бактерій - кишковий тракт жуйних тварин, молоко, тверді сири, у приготуванні яких вони беруть участь.
Пропіоновокислі бродіння: хімізм та особливості
Основні продукти пропіоновокислі бродіння, що викликається декількома видами бактерій з роду Propionibacterium, - пропіонова (CH 3 CH 2 OH) і оцтова кислоти і CO 2. Хімізм пропіоновокислі бродіння сильно змінюється в залежності від умов. Це, мабуть, пояснюється здатністю пропіонових бактерій перебудовувати обмін речовин, наприклад, в залежності від аерації. При доступі кисню вони ведуть окислювальний процес, а в його відсутності розщеплюють гексози шляхом бродіння. Пропіонова бактерії здатні фіксувати CO 2, при цьому з піровиноградної кислоти і CO 2 утворюється щавелевоуксусной кислота, що перетворюється на янтарну кислоту, з якої декарбоксилювання утворюється пропіонова кислота.
Основне енергетичне значення для пропіоновокислих бактерій мають так звані ключові реакції пропіоновокислі бродіння.
Під пропіоновокислі бродінням увазі біохімічний процес перетворення бактеріями цукру, молочну кислоту та її солей в пропионовую кислоту. У цьому бродінні, крім пропіонової кислоти, утворюються і такі продукти, як оцтова кислота, вуглекислий газ, бурштинова кислота, ацетоін, діацетил, інші летючі ароматичні сполуки - діметилсульфід, ацетальдегід, пропіонової альдегід, етанол і пропанол. Хімізм даного бродіння подібний типовому молочнокислому бродінню з тією різницею, що утворилася молочна кислота в цьому бродінні не кінцевий продукт, а проміжний. Від інших типів бродіння пропіоновокислі відрізняється високим виходом АТФ, участю деяких унікальних ферментів і реакцій.
Пропіоновокислі бактеріям властивий бродильний тип метаболізму: вони розщеплюють цукру по шляху Ембдена-Мейергоффа до пропіонату, ацетату, СО 2 і сукцинату. Хімізм пропіоновокислі бродіння добре вивчений і описаний.
У пропіоновокислі бродінні ми маємо справу з карбоксилювання пірувату, що призводить до виникнення нового акцептора водню - щук. Відновлення піровиноградної кислоти в пропионовую у пропіоновокислих бактерій протікає в такий спосіб. Піровиноградна кислота карбоксилуєтся в реакції, що каталізується біотінзавісімим ферментом, у якого біотин виконує функцію переносника CO 2. Донором CO 2-групи служить метілмалоніл-КоА. У результаті реакції транскарбоксілірованія утворюються щук і пропіоніл-КоА:
l).
Ключову реакцію бродіння - перетворення а-метілмалоніл-КоА в сукцініл-КоА каталізує кофермент У 12 (Ado Cb l).Коли зброджуваний субстратом є лактат, він спочатку окислюється в піруват. Частина пірувату далі окислюється до ацетил-КоА і СО 2, причому перетворення ацетил-КоА в ацетат супроводжується утворенням АТФ. Отримання в процесі бродіння окислених продуктів, ацетату і СО 2 врівноважується супутнім відновленням пірувату до пропіонату.
Піровиноградна кислота - обов'язкова проміжне з'єднання в бродінні.
Піруват може бути перетворений на пропіонат декількома шляхами:
1). піруват → акрилат → пропіонат;
2). піруват → лактат → пропіонат;
3). піруват + С 1 → сукцинат → метілмалонат → пропіонат.
Перші дві можливості у пропіонових бактерій не реалізуються, та освіта пропіонату відбувається з дикарбонової кислоти по третьому шляху.
Спочатку лактат окислюється до пірувату за участю флавопротеїдів в якості акцептора водню, потім в реакції транскарбоксілірованія утворюється оксалоацетата. Донором СО 2 служить (S)-метілмалоніл-КоА, а переносником СО 2 - біотин. Під дією малатдегідрогенази і фумарази утворюється фумарат, який відновлюється до сукцинату в реакції, що каталізує фумаратредуктазой. Ця реакція пов'язана з синтезом АТР шляхом фосфорилювання, сполученого з перенесенням електронів. Далі в КоА - трансферазной реакції утворюється сукцінал-КоА. Потім під дією метілмалоніл-КоА-мутази, що містить кофермент В 12, здійснюється перегрупування, яка призводить до утворення (R)-метілмалоніл-КоА, який, однак, не є субстратом для транскарбоксілази. Швидше за все, (S)-стереоізомер утворюється при дії специфічної рацемази. У зтом випадку в реакції транскарбоксілірованія синтезується пропіоніл-КоА, і в результаті подальшого перенесення КоА на сукцинат утворюється пропіонат.
2 .
У процесі зброджування лактату в пропіонат що одна молекула NADH 2. Вона утворюється при окисленні лактату до ацетату відповідно до сумарним рівнянням реакцій бродіння:NADH 2 + ADP + Pi
Лактат + NADH 2 + ADP + Pi NAD + ATP . → пропіонат + NAD + ATP.Реакції, що ведуть до утворення пропіонової кислоти у пропіоновокислих бактерій, можуть бути представлені наступною послідовністю:
Піруват + метілмалоніл-КоА (а) ↔ оксалоацетата + пропіоніл-КоА
Оксалоацетата + пропіоніл-КоА
Сукцинат + пропіоніл-КоА (+ КоА-трансфераза) ↔ сукцініл-КоА + пропіонат
Сукцініл-КоА ↔ (+ метілмалонілізомеразая) ↔ метілмалоніл-КоА
Метілмалоніл-КоА (в) ↔ (+ метілмалонілрацемаза) ↔ метілмалоніл-КоА (а)
+ → пропионат.
Сумарно: піруват + 4 H + → пропіонат.Перетворення оксалоацетата в сукцинат відбувається в результаті роботи ферментів ЦТК: малатдегідрогенази, фумарази та сукцинатдегідрогенази. Оцтова кислота утворюється в результаті окислювального декарбоксилювання пірувату:
+ + КоА(+пируватдегидрогеназа)↔ацетил-КоА+Н + + Н ADH + CO 2 ,
Ацетил-КоА + Ф н (+ фосфотрансацетілаза) ↔ ацетил-Ф + КоА, ацетил-Ф + АDФ (+ ацетілкіназа) ↔ ацетат + АТФ.
Отже, розібраний вище потік реакцій призводить до синтезу пропіонової кислоти. Однак пропіоновокислі бродіння - більш складний процес, оскільки поряд з пропіонової кислотою в якості продуктів бродіння утворюються оцтова, янтарна кислоти і CO 2 (див. рис. 1):
Рис. 1. Шляхи утворення бурштинової, оцтової кислот і CO 2 пропіонових бактеріями: Ф 1 - ФЕП-карбоксітрансфосфорілаза; Ф 2 - піруватдегідрогеназа; Ф 3 - фосфотрансацетілаза; Ф 4 - ацетаткіназа
Крім основних продуктів в різних кількостях в культуральній рідині пропіонових бактерій виявлені молочна, мурашина, ізовалеріанової кислоти, етиловий і пропіловий спирти, оцтовий і пропіонової альдегіди, ацетоін, діацетил. Склад кінцевих продуктів бродіння залежить від культури бактерій, складу середовища і умов культивування. Це стосується як видів накопичуваних продуктів, так і кількісних співвідношень між ними.
Співвідношення продуктів бродіння може бути різне і в значній мірі залежить від ступеня окислення джерела вуглецю. При зростанні на середовищі з гліцерином, наприклад, ставлення пропіонова: оцтова 2:1, з лактатом 1:1,5 і пірувату 1:2. З іншого боку, при культивуванні пропіоновокислих бактерій в строго анаеробних умовах співвідношення між кількостями кислот відхиляється у зворотний бік; саме в цьому випадку на одну молекулу оцтової завжди утворюється 3 молекули пропіонової. Також великий вплив має значення концентрації іонів водню. При збільшенні концентрації іонів водню в середовищі змінюється співвідношення основних продуктів бродіння: освіта оцтової кислоти збільшується, а пропіонової помітно зменшується. Співвідношення пропіонової і оцтової кислот залежить від складу та властивостей середовища та зовнішніх умов існування мікроорганізмів. У сирах в період максимального розвитку культури пропіонових бактерій (перша фаза) в основному утворюються щодо окислені сполуки (оцтова кислота), в період спаду розвитку - переважно більш відновлені (друга фаза). . shermanii (замена пептона аммонийными солями) уксусная кислота превалирует перед пропионовой, однако и в этом случае отношение пропионовой кислоты к уксусной возрастает.
Але при уповільненні розвитку культури P. Shermanii (заміна пептона амонійним солями) оцтова кислота превалює перед пропіонової, однак і в цьому випадку відношення пропіонової кислоти до оцтової зростає. Цей приклад є доказом зв'язку продукування кислот зі складом середовища. Ставлення пропіонової кислоти до оцтової залежить також від виду бактерій. . thonii продуцируют указанные кислоты в отношении 5:1, для P . rubrum это отношение равно 3:1 и для P . shermanii – 2:1. У середовищі з глюкозою і дріжджовим автолізат пропіоновокислі бактерії роду P. Thonii продукують зазначені кислоти у відношенні 5:1, для P. Rubrum це відношення дорівнює 3:1 і для P. Shermanii - 2:1. . shermanii (9 штаммов) отношения пропионовой кислоты к уксусной колеблется от 1,4 до 2,8. Для культур P. Shermanii (9 штамів) відносини пропіонової кислоти до оцтової коливається від 1,4 до 2,8.Між кількістю організмів і кількістю утворюються кислот немає прямого зв'язку. . shermanii .
Зміна складу карбонових кислот у живильному середовищі (солі молочної, піровиноградної і янтарної кислот) значно впливає на продукування пропіонової і оцтової кислот культурами P. Shermanii. Ставлення пропіонової кислоти до оцтової змінюється, з лактатом воно дорівнює 1,83 (17,55:9,55), з піруватів - 0,64 (8,20:12,75) і янтарною кислотою - 2,0 (3,30 : 1,50). У присутності лактози продукування пропіонової кислоти відбувається більш енергійно, ніж у присутності глюкози. . jensenii пировиноградной кислоты более окисленной, чем молочная, также наблюдается, что соотношение пропионовой и уксусной кислот смещается в сторону более окисленной уксусной. При зброджуванні культурами P. Jensenii піровиноградної кислоти більш окисленої, ніж молочна, також спостерігається, що співвідношення пропіонової і оцтової кислот зміщується в бік більш окисленої оцтової. Співвідношення кислот залежить від складу закваски. и Str . thermophilus это соотношение ниже, чем при использовании одной L . helveticum . Так, при використанні закваски з двома культурами - L. helveticum і Str. Thermophilus це співвідношення нижче, ніж при використанні однієї L. Helveticum.Таким чином, унікальність пропіоновокислі бродіння зумовлена: 1) участю ФЕП - карбоксілтрансфосфорілази ферменту, не виявленого в інших організмів, що синтезують пропіонат; завдяки наявності цього ферменту, бродіння, здійснюване пропионово-кислими бактеріями, працює як циклічний процес.
2) особливим способом освіти пропіонату, яке пов'язане з відновленням фумарату до сукцинату і окисленням пірувату до ацетату і СО 2; транспорт електронів, що супроводжує ці реакції, пов'язаний з окислювальним фосфорилюванням і синтезом АТФ;
3) високий вихід АТФ, що перевищує вихід АТФ в інших відомих бродіння. 1,5 М глюкози можуть дати пропіоновокислі бактеріям близько 6 М АТФ.
Енергетична ефективність пропіоновокислі бродіння пов'язана також з виробленням пропіонових бактеріями нових метаболічних здібностей: реакцій транскарбоксілірованія і перегрупування, участі в процесі КоА-похідних. Освіта дикарбонової кислоти з піровиноградної з використанням механізму транскарбоксілірованія замість прямого карбоксилювання пірувату дозволяє уникнути додаткових енергетичних витрат на цьому етапі бродіння. Все це разом узяте дозволяє розглядати пропіоновокислі бродіння як більш досконалий з розглянутих досі способів отримання енергії в анаеробних умовах.
2. Використання пропіоновокислих бактерій в промисловості
Сироваріння - найбільш древня біотехнологія, що використовує біохімічну активність пропіонових бактерій. Перші дослідження пропіоновокислих бактерій були пов'язані з вивченням їх ролі у дозріванні сирів. Найбільш високими органолептичними властивостями і тривалими термінами зберігання мають тверді сичужні сири з високою температурою другого нагрівання, при виготовленні яких беруть участь пропіоновокислі бактерії. Загальне правило, що стосується використання цих бактерій у дозріванні сирів, говорить: шкідливий як недолік, так і надлишок пропіоновокислих бактерій, але без їх участі сир потрібної якості виготовити неможливо; можуть виходити «сліпі», тобто сири без «очок» або з іншими дефектами. Багато вади кращих сирів викликані відсутністю або слабким зростанням пропіоновокислих бактерій.
Основна роль пропіоновокислих бактерій у дозріванні сирів полягає у використанні лактатів, утворених молочнокислими бактеріями при зброджуванні лактози молока, при цьому лактати перетворюються на пропионовую, оцтову кислоти і СО 2. Кислоти забезпечують гострий смак сирів і беруть участь в консервації молочного білка казеїну; гидролитическое розщеплення ліпідів з утворенням жирних кислот важливо для розвитку органолептичних властивостей сиру; освіта проліну та інших амінокислот, а також летких речовин: ацетоіна, диацетила, діметілсуль-фіда, ацетальдегіду, що беруть участь в формуванні аромату сиру; утворення вуглекислоти в процесі пропионово-кислого бродіння лактату і декарбоксилювання амінокислот (головним чином); СО 2 бере участь у створенні малюнка сиру - «очок», освіті вітамінів і в першу чергу вітаміну В 12.
Дозрівання сиру - складний біохімічний процес, що протікає за участю сичугового ферменту, ферментів молока, молочнокислих і пропіонових бактерій. Відбуваються ензиматичні зміни в білках, жирі, амінокислотах; формується аромат, зовнішній вигляд, консистенція сиру.
Пропіоновокислі бактерії розмножуються в сирі в значній кількості в період витримування у бродильному підвалі, зростання їх триває протягом всього періоду дозрівання. У результаті пропіоновокислі бродіння утворюються специфічний смак і запах, а також характерний малюнок «Швейцарського» сиру ».
Пропіоновокислі бактерії також застосовують в хлібопеченні. Їх разом з молочнокислими бактеріями та дріжджами вводять до деяких закваски для тіста з метою утворення в процесі ферментації, крім молочної й оцтової кислот, ще й пропіонової. При внесенні в тісто такий закваски хліб містить 0,1% оцтової, 0,2% молочної, 0,1% пропіонової кислоти (по відношенню до ваги борошна). Такої кількості пропіонової кислоти досить для прояву фунгіцидної дії, без помітного впливу на смак і аромат випікається хліба.
Використання пропіоновокислих бактерій знайшло себе, хоча і незначно, в кисломолочному виробництві.
З метою збагачення вітаміном В 12 в кефір та інші молочнокислі продукти вносили пропіоновокислі бактерії, підвищуючи, таким чином, поживні властивості й лікувальну цінність цих продуктів. Готовий продукт має однорідну сметанообразную гомогенну консистенцію молочно-білого кольору, кисломолочний освіжаючий, злегка гострий смак. Кількість клітин пропіоновокислих бактерій в 1 см 3 10 одиниць, молочнокислих стрептококів 10 7.
Розведення молока сирною сироваткою призводить до економії молока, але разом з тим і до розведення його, внаслідок чого вміст у продукті сухих речовин, вітамінів, білка знижується. Ці неминучі втрати компенсуються використанням у складі закваски пропіоновокислих бактерій, які синтезують білки, вітаміни, позаклітинні полісахариди, що збільшують в'язкість продукту.
При виготовленні сметани застосування закваски, що містить продуценти вітамінів групи В, дозволяє вести процес її виробництва в одних умовах незалежно від жирності сировини, при цьому сквашивание ведуть при 30 - 32 0 С, що прискорює процес і дозволяє отримати продукт з високими поживними властивостями. Отриманий продукт багатий на вітаміни групи В (В 1, В 2, В 12), фолієвою кислотою, мікроелементами, в тому числі і залізом, а також іншими продуктами метаболізму в легкозасвоюваній формі, які мають лікувальні властивості.
Пропіоновокислі бактерії використовують в основному в сироварінні при виробництві сирів з високою температурою другого нагрівання і незначно - при виробництві кисломолочних продуктів. При виробленні кисломолочних продуктів в якості закваски використовують пропіоновокислі бактерії в комбінації з молочнокислими бактеріями.
Інтенсивний шлях розвитку молочної промисловості вимагає нових нетрадиційних підходів до розробки технології молочних продуктів. Одним з найважливіших напрямків розвитку технічного прогресу в галузі переробки молока є розвиток біотехнології, зокрема застосування ферментних препаратів для виробництва молочних продуктів. Серед ферментних препаратів, рекомендованих для харчової промисловості, важлива роль належить β-галактозидази, використання якої при переробці молочної сировини дозволяє прискорити процес молочнокислого бродіння, підвищити лікувальні властивості і якість молочних продуктів.
Пропіоновокислі бактерії також застосовують для мікробіологічного синтезу вітаміну B 12. У пропіоновокислих бактерій виявлена здатність до активного синтезу вітаміну B 12, який накопичується всередині клітин. Ця особливість використовується для промислового отримання вітаміну B 12 на відходах виробництва (молочної сироватці та ін) з додаванням кукурудзяного екстракту як джерело вітамінів.
Висновок
Таким чином, можна сказати про те, що пропіоновокислі бродіння має ряд відмінностей від інших типів бродіння, має високу продуктивність і широко застосовується в мікробіологічній промисловості для синтезу пропіонової, оцтової кислот, ціанкобаламін та інших метаболітів. Для цього у виробництві використовують пропіоновокислі бактерії. Важлива роль явища пропіоновокислі бродіння в харчовій промисловості у виробництві сирів, в хлібопеченні, а також при приготуванні деяких кисломолочних продуктів.
Список літератури
Аркадьєва З.А. Промислова мікробіологія / З.А. Аркадьєва, А.М. Безбородов, І.М. Блохіна и др. - М.: Вища школа, 1989. - 688 с.
Шлегель Р. Загальна мікробіологія / Г. Шлегель. - М.: Світ, 1987.-567 с.
Лисак В.В. Мікробіологія / В.В. Лисак. - Мн.: БДУ, 2005. - 261 с.
Єгоров Н.С. Біотехнологія: проблеми і перспективи / Н.С. Єгоров, В.Д. Самуїлом. - М.: Вища школа, 1987. - 159 с.
Биков В.О. Мікробіологічне виробництво біологічно активних речовин та препаратів / В.А. Биков, І. А. Крилов, М. Н. Манаков и др. - М.: Вища школа, 1987. - 143 с.
Єліне Н.П. Основи біотехнології / Н.П. Елин. - СПб: Наука, 1995. - 600 с.
Беккер М.Є. Введення в біотехнологію / М.Є. Беккер. - Рига: 1978. - 231 с.
Хіггінс І. Біотехнологія. Принципи та застосування / І. Хіггінс, Д. Бест, Дж. Джонс. - М.: Мир, 1988. - 480 с.
Віестур У.Е. Біотехнологія: біологічні агенти, технологія, апаратура / У.Е. Віестур, І.А. Шмітт, А.В. Жілевіч. - Рига, 1987. - 263 с.
Волова Т.Г. Біотехнологія / Т.Г. Волова. - К.: Вид-во Сибірського відділення Російської Академії наук, 1999. - 252 с.