Превращения безазотистых органических веществ

Анаэробные процессы

К анаэробным процессам относятся спиртовое, молочнокис­лое, пропиоцовокислое, маслянокислое брожения и брожение пектиновых веществ.

 

Спиртовое брожение. Вы­зывается аскомицетовыми
дрожжами рода Засспаготу
сез (сахаромицеты), некото­
рыми бактериями и отдельны­
ми представителями мукоро-
вых грибов. Основные возбу­
дители этого брожения — са­
харомицеты (рис. 23).

Сахаромицеты являются
факультативными анаэроба­
ми. В аэробных условиях
дрожжи получают энергию
путем полного окисления мо-
но- и дисахаридов до С0₂ и
Рис. 23. Дрожжи рода Засспаготу- ^Н2°, Т. е. путем аэробного
сез — возбудители спиртового броже- дыхания. Этот процесс лежит
ния в основе производства хлебо-

пекарных (прессованных) и кормовых дрожжей, где необходимо, чтобы сахар потреблялся, главным образом, на размножение дрожжей, в результате че­го накапливалась бы значительная биомасса.

В анаэробных условиях необходимую для жизнедеятельно­сти энергию дрожжи получают путем сбраживания моно- к дисахаридов по суммарному уравнению:

С₆Н₁₂0₆ → 2СН₃СН₂ОН + 2С0₂ + 118 кДж

Глюкоза Этиловый спирт

Как и любое брожение, это сложный многоэтапный процесс, протекающий при участии комплекса разнообразных ферментов,, имеющихся у дрожжей. Каждая стадия катализируется соот­ветствующим ферментом.

Наряду с основными продуктами брожения в незначитель­ных количествах образуются побочные продукты: глицерин,, уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла (смесь высших спиртов).

Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения оказывают влияние многие факторы: состав сбраживаемой среды, содержание спирта, тем­пература, рН, раса дрожжей.

Большинство дрожжей способно сбраживать моносахариды (глюкозу, фруктозу) и дисахариды (сахарозу, мальтозу), неко­торые дрожжи могут сбраживать пентозы (ксилозу, арабинозу). Крахмал дрожжи не сбраживают, так как амилолитические ферменты у них отсутствуют. Поэтому крахмалсодержащее сырье для бродильных производств предварительно подвергают осахариванию (частичному гидролизу) при участии амилаз раз­личного происхождения. Концентрация сахара 10—15% наиболее благоприятна для большинства дрожжей.В качестве источника азота для дрожжей наиболее благоприятны аммонийные соли органических кислот, можно использовать также аминокислоты.

На дрожжи оказывает неблагоприятное действие этиловый •спирт, накапливающийся в среде. Отношение различных дрожжей к спирту неодинаково. Угнетающее действие проявляется уже при концентрации 2—5 об. %, брожение прекращается в большинстве случаев при 12—14 об. %. Имеются и спирто-устойчивые дрожжи, которые выносят содержание спирта до 18 об. %.

По отношению к температуре сахаромицеты подразделяют­ся на верховые и низовые. Верховые, или дрожжи верхового брожения, вызывают бурное и быстрое брожение при температуре 20—28°С. При этом они всплывают на поверхность под действием выделяющегося диоксида углерода. По окончании брожения дрожжи осэдают на дно бродильных сосудов рыхлым слоем.

Низовые, или дрожжи низового брожения, осуществляют •более спокойное или медленное брожение, особенно если его еедут при температуре 5—10 °С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи оседают на дно сосуда, об­разуя плотный осадок.

Спиртовое брожение протекает при кислых значениях рН— 4—4,5. При подщелачивании среды до рН 8 или при введении е среду сульфита (или бисульфита) натрия дрожжи в каче­стве основного продукта брожения накапливают не спирт, а глицерин (до 40% по отношению к сброженному сахару). Это так называемая глицериновая форма спиртового брожения:

2С₆Н₁₂О_с → 2СН₂ОНСНОНСН₂ОН + СН₃СН₂ОН

+Глюкоза Глицерин Этиловый спирт

+ СН₃СООН + 2С0₂ + Энергия

Уксусная кислота

Практическое использование спиртового брожения. Ряд пищевых производств основан на жизнеде­ятельности сахаромицетов, вызывающих спиртовое брожение. Оно лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина, а также хлебопечения. Совместно с молочнокислым брожением оно используется для производства кваса, кефира, кумыса. Дрожжи, используемые на том или ином производстве, облада­ют специфическими качествами. Более того, в одном и том же производстве могут применяться разновидности одного и того же вида, отличающиеся между собой одной или несколькими особенностями. Такие культуры обычно называют расами (штаммами). Их получают, как правило, из одной клетки. Каждое производство располагает несколькими расами, удов­летворяющими определенным требованиям.

Этиловый спирт — основной продукт брожения — находит широкое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Основными потребителями спирта являются пищевая, медицин­ская и химическая промышленность. Ведущиеся исследования и разработки показали, что спирт может быть использован и как источник углерода для производства биомассы микроорганиз­мов, в частности дрожжей. Кроме того, в ряде стран ведутся работы по использованию спирта в качестве транспортного топлива.

Сырьем для производства пищевого этилового спирта слу­жат углеводы растительного происхождения (картофель, зла­ки, сахарная свекла) и отходы свеклосахарного производства (меласса). Для получения технического спирта используют от­ходы целлюлозно-бумажной промышленности (сульфитный щелок), гидролизаты древесины и различных сельскохозяйст­венных отходов.

Производство спирта включает следующие основные стадии: подготовку сырья для сбраживания; сбраживание сусла; отгон­ку спирта из бражки и его очистку. Каждая стадия имеет свои технологические особенности, обусловливаемые используемым сырьем.

Крахмалсодержащее сырье в процессе подготовки к сбражи-. ванию разваривают и подвергают осахариванию с помощью амилолитических ферментов. В качестве источников ферментов используют солод — пророщенное и высушенное зерно злаковых культур, а также микробные ферментные препараты. Подготов­ка мелассы для сбраживания включает разбавление ее водой и добавление источников фосфора и азота.

Для производства спирта применяют расы верховых дрож­жей 5. сегеу151ае, которые быстро размножаются, обладают активным комплексом ферментов, спиртоустойчивы и способны переносить высокие концентрации сухого вещества (СВ) в сре­де. Дрожжи — возбудители брожения, предварительно выращи­вают в аэробных условиях на сусле, подкисленном серной кис­лотой.

Основной стадией производства спирта является брожение. Обычно сбраживают сусло с содержанием Сахаров 13—15% при температуре 29—32 °С и рН 4,2—5,2. Процесс брожения ведут 2—3 сут. По окончании брожения дрожжи выделяют из сброженного сусла (бражки), а спирт отгоняют на специаль­ных перегонных аппаратах. Полученный спирт-сырец далее подвергают ректификации (очистке).

Выделенные из бражки спиртовые дрожжи после промыва­ния и прессования используют в качестве хлебопекарных дрожжей. Отходом спиртового производства является барда (остаток после отгонки спирта), которую используют как корм для животных или как питательную среду для выращивания кормовых дрожжей.

Продуктом спиртового брожения является вино. Исходным сырьем в производстве вин служит виноградный сок (сусло), который сульфитируют (обрабатывают ЗОг) с целью подавления развития посторонних микроорганизмов, а затем подверга­ют брожению. Процесс брожения ведут периодическим или не­прерывным методом. Оптимальными условиями брожения являются: температура 18—25°С, содержание сахара в сусле 10—20%, кислотность сусла 8—10 г/л.

Для производства вина используют расы винных дрожжей низового брожения Засспаготусез еШрзоШеиз и ЗассЬаготу-сез оуИоггшз. Винные дрожжи должны полностью выбраживать сусло, быть устойчивыми к повышенному содержанию сахара, спирта и 502, к низкому значению рН, быстро оседать. В процес­се брожения дрожжи образуют этиловый спирт, диоксид угле­рода и побочные продукты (глицерин, ускусный альдегид, органические кислоты и другие соединения). Качественный состав и количественное соотношение побочных продуктов обус­ловливают вкусовые и ароматические свойства вин.

Процессы производства хлеба и пива, основой которых так­же является спиртовое брожение, будут рассматриваться далее в соответствующих разделах специальной микробиологии.

Молочнокислое брожение. Оно вызывается молочнокислыми бактериями и является для них единственным источником энергии. Молочнокислое брожение — это процесс превращения углеводов в молочную кислоту.

Молочнокислые бактерии подразделяются на две группы — гомоферментативные и гетероферментативные, которые вызыва­ют соответственно либо гомоферментативное, либо гетерофер-ментативное молочнокислое брожение. В основе этого деления лежат различия в характере образующихся продуктов, что определяется набором ферментов у молочнокислых бактерий.

Гомоферментативные молочнокислые бактерии из сахара образуют только молочную кислоту:

С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃СНОНСООН + 94 кДж

Глюкоза → Молочная кислота

Гетероферментативные молочнокислые бактерии благодаря разнообразию имеющихся у них ферментов из сахара образуют кроме молочной кислоты и другие продукты брожения (уксус­ную кислоту, этиловый спирт, диоксид углерода, некоторые ви­ды образуют еще янтарную кислоту, водород). Кроме того, среди молочнокислых бактерий имеются ароматобразующие «виды, которые синтезируют ароматические вещества диацетил и ацетоин. Конечные продукты, образущиеся при гетерофермен-'тативном молочнокислом брожении, накапливаются в среде в различных количественных соотношениях, что зависит от вида микроорганизмов, питательной среды и внешних условий. Схе­матически процесс гетероферментативного молочнокислого брожения можно выразить уравнением:

2С₆Н₁₂О₆ → СН₃СНОНСООН + СООНСН₂СН₂СООН +

Глюкоза→ Молочная кислота→ Янтарная кислота

+ СН₃СООН + СН₃СН₂ОН + С0₂ + Н₂ + 75 кДж

Уксусная → Этиловый

кислота спирт

 

А и

Рис. 24. Молочнокислые бактерии:

а — рода 5{герк>соссиз (шаровидные); б — рода ЬасЬЬасШиз (палочковидные)

 

Молочнокислые бактерии относятся в основном к роду Streptococcus, клетки которого имеют шаровидные или слегка овальные клетки, образующие цепочки, и к роду Lactobacillus, клетки которого представляют собой неподвижные, не образующие спор длинные или короткие палочки, одиночные или в виде цепочек (рис. 24). Все молочнокислые бактерии грамположи-тельные, в основном факультативные анаэробы, имеются и микроаэрофилы.

Молочнокислые бактерии отличаются от других микроорганизмов чрезвычайной требовательностью к составу питательной среды, они нуждаются в полном наборе готовых аминокислот, витаминах группы В, в компонентах нуклеиновых кислот.

Высокая требовательность к питательной среде определяет распространение молочнокислых бактерий в природе. Они почти никогда не встречаются в почве или в водоемах, а обитают в основном на растениях, плодах, овощах, с которыми попадают в желудочно-кишечный тракт и густо населяют его, в молоке и молочных продуктах, а также в местах разложения растительных остатков. В качестве источника углерода используют лактозу или мальтозу.

Молочнокислые бактерии образуют неодинаковое количество кислоты — от 1 до 3,5%, в связи с чем они могут развиваться при рН около 4. Способность молочнокислых бактерий подкислять среду используется для подавления в различных продуктах жизнедеятельности гнилостных бактерий (при квашении капусты, засоле огурцов, мочении яблок и др.), которые пред­почитают нейтральные или слабощелочные значения рН.

Среди молочнокислых бактерий есть мезофилы, развивающиеся при средней температуре (около 30°С), и термофилы, развивающиеся при повышенной температуре (40—50 °С).

Практическое использование молочнокислого брожения. Оно находит широкое применение при изготовлении кисломолочных продуктов, сливочного масла, мар­гарина, в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов и в производстве молочной кислоты.

Для получения многих кисломолочных продуктов, в том числе и сыров, используют гомоферментативные мезофильные и термофильные молочнокислые бактерии, чистые культуры которых вносят в пастеризованное молоко. Простокваша готовится при помощи молочнокислого стрептококка (Streptococcus lactis), являющегося мезофилом, ацидофилин — на закваске, состоящей из термофильной культуры ацидофильной палочки (L. асidophilis) и молочнокислого стрептококка (S. lасtis), кефир готовят на закваске, содержащей симбиотический комплекс из термофильных молочнокислых бактерий L. саsei и дрожжей Saccharomyces кеfiг, сбраживающих лактозу. Они входят в состав кефирных зерен, представляющих собой плотные комочки казеина.

Имеются разнообразные национальные молочнокислые напитки (кумыс, мацони, йогурт, биогурт, лебен и др.)» которые получают заквашиванием кобыльего, верблюжьего, овечьего, козьего молока специфическими заквасками, содержащими термофильную болгарскую палочку (L. bulgaricum).

Молочнокислые бактерии вместе с пропионовокислыми участвуют в процессе созревания сыров. Мезофильные молочнокислый и сливочный стрептококки (S. lactis и S. сгеmoris) входят в состав заквасок для сметаны, творога, сливочного масла и маргарина, в последнем случае для придания аромата продуктам используются ароматобразующие виды (гетерофермента-тивные стрептококки — S. diacetilactis).

Гетероферментативным молочнокислым бактериям L. brevis наряду с гомоферментативными бактериями L. р1аntагum в симбиозе с дрожжами принадлежит основная роль при изготовлении ржаного хлеба. Они разрыхляют тесто, придают ему специфический аромат и кисловатый вкус. Гомоферментативные термофильные молочнокислые бактерии применяют для приготовления жидких дрожжей в хлебопечении (L. delbrueckii).

Квашение овощей и силосование кормов сводятся в основном к молочнокислому брожению этих субстратов с помощью гомоферментативных мезофилов L. р1аntагum.

И, наконец, гомоферментативные молочнокислые бактерии (L. delbrueckii и S. 1асtis) применяют в производстве молочной кислоты, которая используется в консервной, кондитерской промышленности, в производстве безалкогольных напитков, в медицине. Некоторые из них образуют антибиотик низин.

Многие мезофильные гетероферментативные палочковидные бактерии и лейконосток являются вредителями в производстве спирта, пива, вина, безалкогольных напитков, сахара и др. Они будут рассмотрены в разделах специальной части.

Пропионовокислое брожение. Оно вызывается пропионово-кислыми бактериями, относящимися к роду Ргорionibacterium.

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:

ЗС₆Н₁₂О₆ → 4СН₃СН₂СООН + 2СН₃СООН + 2С0₂ + 2Н₂0 + Энергия

Глюкоза Пропионовая Уксусная кислота

кислота

 

ЗСН₃СНОНСООН → 2СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + С0₂ + Н₂0 + Энергия

Молочная кислота Пропионовая Уксусная

кислота кислота

Пропионовокислые бактерии родственны по ряду свойств ге-тероферментативным молочнокислым бактериям и часто развиваются совместно с ними.

Пропионовокислые бактерии — это небольшие, неподвижные палочки, слегка искривленные, не образующие спор, грамположительные, факультативные анаэробы. Они, как и молочнокислые бактерии, не встречаются в почве или 'водоемах. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных, а также в молоке.

Практическое использование пропионово-кислого брожения. Оно используется в сыроделии. 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 — пропионовокислое 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. На больших сыро-дельческих предприятиях вместо самопроизвольного созревания сыра при участии естественной микрофлоры молока применяют специальные закваски, иногда с введением мицелиальных грибов, например Р. roqueforti при производстве сыра «Рокфор».

У пропионовокислых 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 источника витаминов.

Маслянокислое брожение. В отличие от рассмотренных брожений, маслянокислое брожение вызывается строгими анаэробами, относящимися к роду Clostridium. Для них молекулярный кислород — яд.

Единственным источником энергии для маслянокислых бактерий является процесс брожения. Суммарное уравнение маслянокислого брожения имеет вид:

С₆Н₁₂О_в →СН₃СН₂СН₂СООН + 2С0₂ + 2Н₂ + 63 кДж

Глюкоза→Масляная кислота

 

Возбудителем типичного маслянокислого брожения является Clostridium butyricum. Отдельные представители маслянокислых бактерий вызывают несколько разновидностей маслянокислого брожения, общим признаком которых является большее или меньшее накопление масляной кислоты, уксусной и других органических кислот, а также бутилового и других спиртов, ацетона и некоторых газообразных продуктов (водорода, метана, диоксида углерода).

Сбраживаться могут углеводы, в том числе полисахариды (крахмал, амилоза, гранулеза, гликоген, пектиновые вещества, целлюлоза и др.), так как у маслянокислых бактерий имеются соответствующие ферменты (амилаза, пектиназа, целлюлаза), гидролизующие эти соединения до простых Сахаров. Последние, в свою очередь, подвергаются маслянокислому брожению. Маслянокислые бактерии также сбраживают спирты (этиловый, маннит, глицерин) и аминокислоты (глутаминовая и др.). Близки к малянокислым бактериям патогенные формы — возбудители ботулизма и столбняка.

По характеру используемых субстратов маслянокислые бактерии делят на две группы: сахаролитические клостридии, сбраживающие в основном углеводы, и протеолитические клостридии, имеющие активные протеолитические ферменты и разлагающие белки и пептоны до аминокислот, которые затем подвергаются сбраживанию.

Маслянокислые бактерии довольно крупные, грамположительные, подвижные палочки с перитрихиально расположенными жгутиками, образующие очень устойчивые споры, при фор­мировании которых клетка принимает форму веретена (клост-ридия) или теннисной ракетки. Перед образованием спор в клетках накапливается запасное крахмалоподобное вещество — гранулеза.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они обитают там, где много органических веществ и нет доступа кислорода — в иловых отложениях водоемов, в навозе, почве, в скоплениях разлагающихся отбросов, в сточной жидкости и т. п. Их развитие в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря симбиозу с аэробными бак­териями, которые используют кислород на собственные нужды. Повсеместному их распространению способствует необыкновен­но высокая устойчивость спор.

Практическое значение м а с л я н о к и с л о г о брожения. В природе маслянокислым бактериям принадлежит важная роль в круговороте углерода. Масляная кислота— широко распространенный продукт анаэробного разложения различных органических веществ.

Маслянокислое брожение используют в промышленности для получения масляной кислоты, которая находит широкое применение. Масляная кислота обладает резким неприятным запахом прогорклого масла. В то же время ее эфиры отличаются приятным ароматом, например метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый — грушевый, амиловый — ананасный. Их используют в кондитерской и парфюмерной промышленно­сти, в производстве фруктовых безалкогольных напитков.

Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов (бомбаж), прогоркание молока, увлажненной муки и других продуктов, чем наносят большой ущерб народному хозяйству. Они вызывают порчу квашеных овощей при замедленном молочнокислом брожении; образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.

В производствах, основанных на жизнедеятельности дрожжей, маслянокислые бактерии являются вредителями, так как масляная кислота отравляет дрожжи. Борьба с ними затрудни­тельна из-за высокой устойчивости спор.

Брожение пектиновых веществ. В растениях, особенно в плодах, ягодах, корнеплодах, содержится много пектиновых веществ. Они входят в состав срединных пластинок и склеивают между собой растительные клетки. Пектиновые вещества — высокомолекулярные соединения (полисахариды), поэтому, чтобы попасть в микробную клетку, они должны предварительно подвергнуться ферментативному гидролизу. Под влиянием пектолитических ферментов микроорганизмов, развивающихся в растительном сырье и в продуктах его переработки, происходит ступенчатый гидролиз пектиновых веществ:

С₄₆Н₆₈0₄о + 10Н₂0 → 4СНО(СНОН)₄СООН + С₆Н₁₂О₆+

 

Пектиновая Галактуроновая кислота Галактоза

кислота

 

 

+ С₅Н₁₀О₅ 4- С₅Н₁₀О₅ + 2СЦ.ОН -+- 2СН₃СООН

Ксилоза Арабиноза Метиловый Уксусная
спирт кислота

 

 

Ферментативный гидролиз микроорганизмам энергии не дает. В анаэробных условиях они ее получают в процессе масля-нокислого брожения, которому подвергаются продукты фермен­тативного гидролиза — арабиноза и галактоза, которые в аэробных условиях окисляются до С02 и Н20. Брожение протекает при участии определенных видов маслянокислых бактерий. Продуктами брожения являются масляная и уксусная кислоты, а также газы (С02 и Н2). Разложение пектино­вых веществ приводит к порче продукции; например, соленые огурцы размягчаются или в них появляются пустоты в резуль­тате мацерации (распада на отдельные клетки) тканей огур­цов при ферментативном расщеплении срединных пластинок.

Аэробные процессы

Они осуществляются хемогетеротрофами в присутствии молекулярного кислорода, но, в отличие от аэробного дыхания (полного окисления), являются процессами неполного окисления. Часто их называют «окислительными брожениями», что» совершенно неправильно, поскольку термин «брожение» вполне определенно означает окислительно-восстановительные превращения субстрата, вызываемые микроорганизмами в строго анаэробных условиях.

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями. Этот процесс был известен человеку в глубокой древности — в оставленном на воздухе вине или пиве через некоторое время появлялась легкая муть, а на поверхности — плотная пленка. При этом вино или пиво закисает и превращается в уксус.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: