И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
В процессе обмена веществ микроорганизмы осуществляют разнообразные химические реакции, в результате которых образуются ценные вещества: спирты, кислоты, эфиры, витамины и др. Эти продукты жизнедеятельности микробов широко используют в медицине, промышленности, быту. Многие биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами, применяют в пищевой и легкой промышленности; велика их роль в круговороте веществ в природе.
Изучение возможной биохимической деятельности микроорганизмов позволяет лучше использовать полезные из них, правильно организовать технологический процесс, в котором они применяются. С другой стороны, раскрывается сущность тех изменений, которые происходят в пищевом сырье и продуктах его переработки при спонтанном (самопроизвольном) развитии в них микроорганизмов. Это позволяет успешнее вести борьбу с возбудителями порчи продуктов.
Ниже рассматриваются преимущественно микробиологические процессы, используемые при переработке пищевого сырья или обусловливающие порчу пищевых продуктов. Другие процессы описываются кратко.
ПРЕВРАЩЕНИЯ БЕЗАЗОТИСТЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Анаэробные процессы
СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ
Спиртовым брожением называется процесс превращения сахара микроорганизмами в этиловый спирт и углекислый газ:
Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Спиртовое брожение могут вызывать некоторые плесневые грибы, однако при этом образуется значительно меньше спирта (5–7 %). Брожение с образованием спирта и углекислого .газа
Т
вызывают и некоторые бактерии, но количественное соотношение между конечными и побочными продуктами, а также характер побочных продуктов отличают бактериальное спиртовое брожение от вызываемого дрожжами.
Связь спиртового брожения с жизнедеятельностью дрожжей была отмечена еще в начале XIX в., но окончательно была установлена Пастером в 1857 г.
Большое значение в изучении спиртового брожения имело открытие «бесклеточного» брожения – соком из дрожжей, не содержащим дрожжевых клеток. На основании этого был сделан вывод, что в дрожжевом соке содержится какое-то активное вещество – фермент, которое еще Бухнер предложил назвать <■· зим а з о й. Дальнейшие исследования показали, что зимаза является комплексом ферментов.
Химизм спиртового брожения. Приведенное выше уравнение спиртового брожения выражает его лишь в общем суммарном виде. Спиртовое брожение для дрожжей является процессом получения энергии в анаэробных условиях.
В гл. 2 (см. с. 70) указывалось, что любое брожение – процесс многоэтапный, протекающий как бы в две стадии:
первая – окислительная – включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образованием двух молекул восстановленного НАД-Н2– промежуточного акцептора- водо-
Рода: ГН П_^0ГНГПГППНО-9НДП.Н.·
во второй стадии – восстановительной ■–НАД-Н2 передает водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения.
Дрожжи обладают ферментом пируватдекарбоксилазой, который катализирует реакцию дека'рбоксилирования пировиноградной кислоты с отщеплением углекислого газа и образованием уксусного альдегида:
Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с НАД · Н2, он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД · Н2 регенерируется (окисляется) в НАД:
Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт является завершающим этапом спиртового брожения.
С энергетической точки зрения брожение – процесс малоэкономичный; выше указывалось, что при использовании грамм-молекулы глюкозы в процессе брожения синтезируется всего 2 моля АТФ.
Недостаточность выделяющейся при брожении энергии дрожжи возмещают переработкой значительно большего количества сахара, чем при дыхании. Некоторые дрожжи вообще не способны к сбраживанию сахара и являются аэробами.
Наряду с главными продуктами брожения в небольшом количестве образуются побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла – смесь высших спиртов (изоамилового, изобутилового, амилового, н-пропилового и др.) и некоторые другие вещества.
Образование дрожжами высших спиртов связано с азотным и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты могут образоваться при дезаминировании и декарбоксилирова-нии аминокислот, в реакциях переаминирования аминокислот с пировиноградной кислотой (образующейся в процессе брожения), в процессах синтеза аминокислот. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения.
Глицерин образуется в начальном (индукционном) периоде брожения, когда еще нет уксусного альдегида (или имеется незначительное его количество). В этих условиях водород, мобилизованный НАД-дегидрогеназой при окислении одних молекул фосфоглицеринового альдегида, переносится на другие молекулы этого альдегида, которые при этом восстанавливаются в фосфоглицерин. Последний дефосфорилируется и превращается в глицерин.
По мере накопления в среде уксусного альдегида наступает вторая – стационарная – фаза спиртового брожения, когда акцептором водорода становится не фосфоглйцериновый альдегид, а уксусный, который и восстанавливается в этиловый спирт. При нормальном процессе спиртового брожения глицерин накапливается лишь в небольшом количестве (1–3 % ).
Глицериновая форма спиртового брожения. Ход спиртового брожения можно изменить так, чтобы основным продуктом стал глицерин. При нормальном течении процесса образование глицерина, как указано ранее, прекращается при накоплении в бродящей среде уксусного альдегида. Если в среду ввести бисульфит (или сульфит) натрия, который связывает уксусный альдегид, то он уже не может действовать как акцептор водорода и им становится фосфоглйцериновый альдегид, превращающийся в глицерин. Таким путем удается получить около 40 % глицерина по отношению к сброженному сахару.
Глицерин также можно получать, проводя брожение в щелочной среде. В таких условиях более активным акцептором водорода, чем уксусный альдегид, становится фосфоглйцериновый альдегид, превращающийся затем в глицерин. Молекулы уксусного альдегида, взаимодействуя между собой (реакция дисму-тации), превращаются одни в этиловый спирт, другие – в уксусную кислоту.
Глицерин применяется, в различных отраслях промышленности.
Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы, и в первую очередь химический состав сбраживаемой среды – ее полноценность. Имеют значение также концентрация и кислотность среды, содержание спирта, температура, наличие посторонних микроорганизмов. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов – преимущественно сахарозу и мальтозу. Пентозы могут быть использованы лишь некоторыми видами дрожжей. Крахмал дрожжи не сбраживают, так как они лишены амилолитических ферментов.
Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей от 10 до 15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения' снижается, а при 30–35 % брожение обычно почти прекращается, хотя в природе встречаются дрожжи, способные вызывать брожение сахара даже при концентрации его 60 % и выше.
Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли; используются также аминокислоты и пептиды.
Нормально брожение протекает в кислой среде при рН 4–5. В щелочной среде, как указывалось выше, направление брожения изменяется в сторону повышения выхода глицерина.
Наибольшая скорость брожения при температуре около 30 °С, а при 45–50 °С оно прекращается, так как дрожжи отмирают. Снижение температуры замедляет брожение, но полностью оно не прекращается даже при температурах несколько ниже 0 °С.
По характеру брожения дрожжи подразделяют на верховые и низовые. Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20–28 °С. На поверхности бродящей жидкости образуется много пены, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных сосудов рыхлым слоем.
Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает более спокойно и медленно, особенно если его ведут при сравнительно низких температурах – порядка 5–10 °С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи не выносятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро оседают на дно бродильных емкостей.
Этиловый спирт, накапливающийся в процессе брожения, неблагоприятно влияет на дрожжи. Его угнетающее действие проявляется уже при концентрации 2–5 % в зависимости от вида и расы дрожжей. В большинстве случаев брожение прекращается при 12–14% (объемных) спирта. Некоторые расы
•Энергией брожения называется способность определенного количества дрожжей сбраживать за определенный промежуток времени то или иное количество сахара.
дрожжей более спйртоустойчивы и образуют 16–18 % спирта. Получены расы, продуцирующие до 20 % спирта.
Спиртовое брожение протекает нормально в анаэробных условиях. В среде, богатой кислородом, дрожжи ведут себя как аэробные организмы и активно размножаются.
Практическое значение спиртового брожения. Процесс спиртового брожения лежит в основе виноделия, пивоварения, хлебопечения, производства этилового спирта и глицерина. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при получении некоторых кисломолочных продуктов (кумыса, кефира), при квашении овощей и в других производствах. Однако спонтанно (самопроизвольно) возникающее спиртовое брожение в сахарсодержащих продуктах (в фруктовых соках, сиропах, компотах, варенье и др.) вызывает их порчу –забраживание.
В производстве этилового спирта для пищевых целей используют крахмалсодержащее сырье –картофель, зерно злаков, отходы крахмало-паточных заводов и сахарсодер-жащее сырье – мелассу (черную патоку) –отход свеклосахарного производства, а также сахарную свеклу. Для получения технического спирта используют гидролизаты древесины и сульфитные щелока – отходы целлюлозно-бумажной промышленности.
Из крахмалсодержащего сырья путем разваривания готовят затор, который подвергают осахариванию. Источником осаха-ривающих (амилолитических) ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зерен ячменя, или грибной солод –ферментный препарат из грибов рода Aspergillus.
В зерновом и грибном солоде, кроме амилаз, содержатся протеолитические ферменты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотсодержащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат, называемый суслом, который содержит, помимо сахара, достаточное количество питательных веществ для дрожжей.
При использовании мелассы, сульфитных щелоков и гидро-лизатов древесины для улучшения питательной ценности в них вносят источники фосфора и азота. Мелассу, кроме того, разводят водой для снижения в ней концентрации сахара, солей и других веществ и подкисляют серной кислотой. Подготовленные сахаристые заторы подвергают брожению.
Применяемые дрожжи предварительно выращивают в аэробных условиях на стерильных питательных сахарсодержащих заторах, подкисленных серной кислотой или заквашенных молочнокислыми бактериями (обычно палочкой Дельбрюка).
Для производства спирта, как и в других основанных на спиртовом брожении производствах, подбирают специальные расы дрожжей, обладающие необходимыми для данного производства свойствами.
Применяют расы верховых дрожжей Saccharomyces cerevi-siae, быстро размножающиеся, спиртоустойчивые, с высокой
энергией брожения, устойчивые к высокому содержанию в среде сухих веществ.
По окончании процесса брожения дрожжи отделяют от сброженного затора (бражки), а спирт отгоняют на специальных перегонных аппаратах. Получается спирт-сырец и остается отход производства – барда. Барду используют как питательную среду для выращивания кормовых дрожжей, а спирт-сырец для технических целей или подвергают очистке от примесей, т. е. ректификации. Отработанные дрожжи выпускают в виде жидких и сухих кормовых дрожжей, а в отдельных производствах – в виде прессованных пекарских.
В процессе сбраживания заторов совместно с производственными дрожжами могут развиваться попадающие извне (из воздуха, сырья, аппаратуры) посторонние микроорганизмы. Специфические условия – кислая реакция заторов, анаэроб-' ность, наличие образующегося при брожении спирта – неблагоприятны для развития многих микробов, однако молочнокислые бактерии и некоторые дикие дрожжи способны развиваться в этих условиях. Они используют питательные вещества среды, угнетают производственные дрожжи продуктами своего обмена, при этом выход спирта снижается.
Основным сырьем в производстве пива является ячменный солод, изготовляемый из пророщенных зерен ячменя (процесс называется соложением). Амилазы пророщенного зерна расщепляют в нем крахмал на более простые углеводы, в основном на мальтозу и декстрины. Протеазы превращают частично белок в усвояемые дрожжами азотистые соединения.
Из солода, нередко с добавлением еще несоложенных зерновых материалов (ячменя, риса, кукурузной муки), воды и хмеля изготовляют сахаристую жидкость – пивное сусло. Оно явля-, ется полноценной питательной средой для дрожжей. Хмелевые вещества, переходящие при варке из хмеля в сусло, обладают антибактериальным действием и придают суслу и пиву специфическую горечь и аромат.
Сусло подвергают брожению специальными пивными дрожжами. Они должны обладать способностью быстро размножаться, бродить при низких температурах (5–10 °С), быстро оседать и придавать пиву приятные вкус и аромат.
Применяют преимущественно расы Saccharomyces carlsber-gensis – хлопьевидные дрожжи низового брожения. Для выработки некоторых специальных сортов пива используют расы верховых дрожжей.
В процессе выработки пива различают два периода брожения сусла: главное и дображивание.
В первый период (температура 6–10 °С) дрожжи активно размножаются и интенсивно сбраживают сахар. Полученное «зеленое» (незрелое) пиво сливают с дрожжевого осадка и направляют на дображивание при температуре 0,5–1 °С. В этот
период дрожжи, находящиеся в «зеленом» пиве, почти не размножаются и медленно сбраживают оставшийся сахар.
В результате брожения накапливается углекислый газ, 3– 6 % (по массе) этилового спирта и побочные продукты (высшие спирты, органические кислоты, диацетил, эфиры), участвующие в формировании вкуса и аромата пива.
Созревшее пиво осветляют и освобождают от дрожжей путем фильтрации или центрифугирования и направляют на розлив.
Химический состав и вкусовые свойства разных сортов пива зависят от используемого сырья, применяемой расы дрожжей и технологии производства.
Часть осадочных (осевших на дно бродильных чанов) дрожжей после соответствующей обработки вновь используют для сбраживания сусла. Кроме того, их выпускают в виде жидких или сухих пивных дрожжей в качестве продукта, богатого витаминами (Вь Вг, В6, РР, пантотеновой кислотой), а также используют на корм животным.
В сусло и пиво попадает немало различных посторонних микроорганизмов из воздуха, воды, аппаратуры, а также с за-севными дрожжами. Хмелевые вещества, спирт, избыточное давление углекислого газа, низкое значение рН (4,1–4,4) задерживают развитие в сусле и пиве многих потенциальных возбудителей их порчи, но существуют и способные размножаться в этих субстратах.
Возбудителями порчи пива являются многие виды диких дрожжей (родов Saccharomyces, Piehia, Candida, Hansenula, Torulopsis и Др.). Они вызывают его помутнение, придают ему -неприятные вкус и запах. Особенно опасна Candida mycoderma, развивающаяся на поверхности пива в виде плотной пленки. Эти дрожжи окисляют спирт до углекислого газа и воды.
В сусле и пиве могут развиваться и некоторые бактерии, не чувствительные к антисептическим веществам хмеля и устойчивые к спирту и повышенной кислотности среды. Таковыми являются главным образом молочнокислые гомо- и гетерофермен-тативные бактерии и уксуснокислые бактерии.
Молочнокислые бактерии вызывают помутнение и прокисание пива.
Уксуснокислые бактерии образуют на поверхности пива пленки, снижают содержание спирта, окисляя его в уксусную ' кислоту; некоторые виды образуют слизь.
Опасными вредителями являются педиококки, ранее называемые пивными сарцинами. Эти кокки чаще соединены по четыре, но бывают соединенные попарно и одиночные. Педиококки придают пиву горечь, неприятный вкус и характерный медовый запах, вызывают значительное помутнение, а иногда и ослизнение пива.
Пиво – скоропортящийся продукт. Для увеличения сроков хранения пива его подвергают пастеризации. Возможно исполь-
зование некоторых химических консервантов (сорбиновой кислоты, юглона), обработка СВЧ.
В производстве вин исходным сырьем служат виноградный и плодово-ягодные соки. Они являются хорошим питательным субстратом для различных микроорганизмов. Для обеззараживания от вредной микрофлоры, главным образом от аэробных диких дрожжей, соки сульфитируют (обрабатывают SO2), а затем подвергают брожению. ^Сернистый ангидрид играет роль не только антисептика, но и антиокислителя. Он связывает кислород, понижая тем самым окислительно-восстановительный потенциал среды, что ограничивает развитие аэробных микроорганизмов и благоприятствует брожению.
Брожение соков проводят с применением чистых культур винных дрожжей низового брожения Saccharomyces vini (ellip-soideus), а для некоторых вин (хересного типа), кроме того, дрожжей S. oviformis.
При выборе производственных рас дрожжей к ним предъявляют определенные требования. Они должны полно выбражи-вать сусло, быть устойчивыми к повышенному содержанию сахара и спирта, к БОг и к низкому значению рН, быстро оседать после брожения и давать плотный осадок.
Различные расы S. vini, селекционированные для определенных типов вин, обладают различным температурным оптимумом брожения, образуют неодинаковое количество спирта (от 10 до 18%) и побочных продуктов; различен и состав побочных продуктов, что· отражается на вкусовых и ароматических свойствах вин.
В процессе развития дрожжи не только сбраживают сахара, но значительно изменяют в сусле азотсодержащие вещества и состав органических кислот.
В зависимости от используемого сырья, биологических особенностей применяемой расы дрожжей и характера технологического процесса получают различные вина.
В сусло и вино из внешней среды и из сырья попадают различные микроорганизмы. Однако развиваться в этих субстратах, содержащих значительное количество кислот, спирта и БОг, могут не все микроорганизмы.
Возбудителями порчи чаще являются различные дрожжи, спорообразующие и не образующие спор. Особо опасны аэробные дрожжи родов Candida, Pichia, активно окисляющие сахар, спирт и органические кислоты, а также лимоновидные дрожжи рода Hanseniaspora, известные под названием апикулятусов. Они подавляют бродильную активность производственных винных дрожжей, образуют летучие кислоты и эфиры, придающие вину острый вкус и неприятный посторонний запах. Вино при этом мутнеет, в нем выпадает осадок.
Возбудителями порчи вин могут быть молочнокислые бактерии, вызывающие помутнение и скисание вина, а также уксуснокислые, значительно снижающие содержание спирта, окис-
ляя его в уксусную кислоту. Уксусное скисание столовых вин – распространенная болезнь. Некоторые уксуснокислые и молочнокислые бактерии, а также дикие дрожжи вызывают ослизне-ние вин – болезнь, называемую «ожирением».
Для предохранения вин от микробной порчи их пастеризуют, вводят антисептики (S02, сорбиновую кислоту); хороший эффект дает «холодная» стерилизация, т. е. обработка ультразвуком и ультрафиолетовыми лучами. '
Использование спиртового брожения в хлебопечении изложено в гл. 7 (см. с. 219–220).
Во всех указанных бродильных производствах качество и выход готовой продукции в значительной степени зависят от общего санитарного состояния производства. На заводах должны поддерживать строгий санитарный режим, своевременно выявлять очаги инфекции, регулярно проводить санитарную обработку (очистку, мойку с дезинфицирующими средствами) помещений, оборудования, аппаратуры, тары, а также санитарный микробиологический контроль на всех стадиях производственного процесса.
МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ
Молочнокислое брожение – это превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты. Наряду с этим основным продуктом брожения в большем или меньшем количестве получаются побочные продукты.
По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные.
Гомоферментативные (однотипнобродящие) бактерии образуют в основном (не менее 85–90 %) молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Этот тип молочнокислого брожения можно представить следующим общим уравнением:
С6Н120в = 2СН3СНОНСООН
Гетероферментативные (разнотипнобродящие) бактерии – менее активные кислотообразователи. Наряду с молочной кислотой они образуют значительное количество» других веществ – этиловый спирт, углекислый газ, некоторые еще уксусную кислоту; есть такие, которые, кроме того, продуцируют четырехуглеродные соединения – ацетоин (СН3СНОНСОСН3) и диацетил (СНзСОСОСШ). Диацетил имеет приятный запах.
В зависимости от условий развития (рН, температуры, степени аэробности и др.) характер конечных продуктов брожения может меняться у одного и того же вида молочных бактерий, поэтому резко разграничить эти две группы бактерий (гомо- и гетероферментативные) нельзя.
Химизм молочнокислого брожения. Процесс превращения глюкозы до пировиноградной кислоты у гомоферментативных
молочнокислых бактерий протекает, как и у дрожжей при спиртовом брожении, по гликолитическому пути (см. с. 66). Далее ввиду отсутствия у этих бактерий фермента пируватдекарбо-ксилазы пировиноградная кислота не подвергается расщеплению; в этом брожении она является конечным акцептором водорода от восстановленного НАД • Нг.
Пировиноградная кислота восстанавливается в молочную, а НАД • Нг окисляется в НАД. Эта окислительно-восстановительная реакция катализируется ферментом лактикодегидроге-назой и может быть выражена следующим уравнением:
Превращение глюкозы гетероферментативными бактериями происходит по-иному, что определяется своеобразием комплекса ферментов у этих бактерий. Отсутствие у них фермента альдо-лазы меняет начальный путь превращения глюкозы. После фос-форилирования гексоза окисляется (отщепляется водород) и декарбоксилируется (отщепляется С02), превращаясь в пенто-зофосфат. Последний при участии фермента фосфокеталазы расщепляется на фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат. Фосфоглицериновый альдегид, как и у гомоферментативных молочнокислых бактерий, превращается в пировиноградную кислоту, которая затем восстанавливается в молочную. Ацетил-фосфат дефосфорилируется и превращается в уксусную кислоту или восстанавливается (через уксусный альдегид) в этиловый спирт. Таким образом, конечным акцептором водорода в этом типе брожения служат пировиноградная кислота и уксусный альдегид.
Возбудители молочнокислого брожения.Молочнокислые , бактерии имеют круглую, слегка овальную или палочковидную форму. Диаметр кокков у отдельных видов от 0,5 до 1,5 мкм. Кокки располагаются попарно или цепочками (стрептококки) различной длины. Размеры палочковидных бактерий колеблются от 1 до 8 мкм. Клетки одиночные или объединены в цепочки.
Все молочнокислые бактерии неподвижны, не образуют спор, грамположительны, лишены фермента каталазы, являются факультативными анаэробами, есть микроаэрофилы. Палочковидные бактерии более, чем стрептококки, предпочитают анаэробные условия. Молочнокислые бактерии сбраживают моно-и дисахариды, однако используется ими не любой дисахарид. Некоторые из них не сбраживают сахарозу, другие – мальтозу, существуют не использующие лактозу. Крахмал и другие полисахариды молочнокислые бактерии не сбраживают. Некоторые, преимущественно гетероферментативные, бактерии используют пентозы и лимонную кислоту.
Различные виды молочнокислых бактерий образуют неодинаковое количество кислоты, что обусловлено различной их
кислотоустойчивостью. Преобладающее большинство гомоферментативных палочковидных бактерий продуцируют кислоты больше (до 2–3,5 %), чем стрептококки (около 1 %). В связи с этим палочковидные молочные бактерии могут развиваться при рН 4,0–3,8; кокковые формы при такой кислотности среды не развиваются. Наилучшая бродильная активность палочковидных бактерий проявляется при рН 5,5–6,0.
Большцнство молочнокислых бактерий, особенно гомофер-ментативиые палочковидные, очень требовательны к состав} питательной среды и хорошо развиваются только при наличии различных аминокислот] или еще более сложных органических соединений азота. Только редкие могут расти на минеральных соединениях азота. Большинство нуждается и в витаминах (в частности, Вь В2, В6, РР, пантотеновой и фолиевой кислотах). Доэтому выращивают молочнокислые бактерии на сложных питательных средах.
Благодаря высокой чувствительности молочнокислых бактерий к отдельным аминокислотам и витаминам их используют в качестве «живых реактивов» при определении содержания этих веществ в различных субстратах.
Молочнокислые бактерии обладают протеолитической активностью. У разных видов эта способность проявляется в неодинаковой степени; более активны палочковидные формы. Молочнокислые бактерии легко переносят высушивание, устойчивы к углекислому газу и этиловому спирту; многие виды существуют при содержании спирта в среде до 10–15 % и более. Некоторые молочнокислые бактерии устойчивы к NaCl, выдерживая концентрацию до 7–10%, а из мясных рассолов выделены (Л. А. Мельниченко) солеустойчивые штаммы, размножающиеся при 20 %-ной концентрации NaCl.
По отношению к температуре молочнокислые бактерии можно разделить на мезоф ильные – с оптимумом роста 25–35 °С и термофильные – с оптимумом около 40– 45 °С. Отдельные молочнокислые бактерии холодоустойчивы и могут развиваться при относительно низких положительных температурах (5°С и ниже). При нагревании до 60–80°С они гибнут в течение 30–10мин, но имеются и термоустойчивые формы, сохраняющиеся при нагревании до 85 °С в течение нескольких минут.
Некоторые молочнокислые бактерии образуют слизь, при их развитии жидкие "субстраты становятся тягучими.
Установлено, что проявляемые молочнокислыми бактериями антагонистические свойства по отношению к многим сапрофитным и болезнетворным бактериям (возбудителям кишечных заболеваний, стафилококкам) обусловлены не только продуцированием кислот, но и выделяемыми ими специфическими антибиотическими веществами.
В природных условиях молочнокислые бактерии встречаются на различных растениях, в почве, на многих пищевых
продуктах (плодах, овощах, в молоке, квашеной капусте и др.). В больших количествах они обнаруживаются в желудочно-кишечном тракте животных и человека J Кишечные кокковые формы называют энтерококками (фекальными стрептококками).
По новой системе классификации бактерий (см. гл. 1, с. 19, части 14, 16) кокковые формы молочнокислых бактерий отнесены к семейству Streptococcaceae, родам Streptococcus (гомоферментативные) и Leuconostoc (гетероферментативные), а палочковидные формы – к семейству Lactobacillaceae, роду Lactobacillus.
Рис. 28. Молочнокислые бактерии:
а – Streptococcus «lactis;
б – Str. thermophilics; в –
Lactobacillus acidophilus
Наиболее важными в техническом отношении представителями гомоферментативных молочнокислых бактерий являются следующие.
I Молочнокислый стрептококк (Streptococcus lac-tis) –кокки, соединенные попарно или короткими цепочками (рис. 28,а). Это мезофилы, лучше всего развивающиеся при температуре 30–35 °С; в этих условиях молоко свертывается через 10–12 ч. В среде накапливают до 1 % кифотьУМини-мальная температура развития 10 °С, максимальная – от 40 до 45 °С. Некоторые расы образуют антибиотик низин.
Близкий по свойствам к S. lactis его подвид S. lactis subsp. diacetilactis способен, кроме Сахаров, сбраживать соли лимонной кислоты с образованием ацетоина и диацетила, что обу-
I
словливает ароматичность продуктов, в которых развивается этот стрептококк.
\ Молочнокислые стрептококки широко используют при приготовлении разнообразных кисломолочных продуктов (см. гл. 7, с. 178–182).
Г Сливочный стрептококк (S. cremoris) – сферические клетки, образующие длинные цепочки. Этот мезофильный стрептококк не активный кислотообразователь. Лучше растет при 25°С; минимальная температура развития 10 °С, максимальная 36–38 °С. Применяется в заквасках вместе с молочнокислым стрептококком^ Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин.
Термофильный стрептококк (S. thermophilus) – длинные цепочки кокков, хорошо развивающийся при 40– 45 °С. Накапливает около 1 % кислоты. Применяется вместе с палочковидными бактериями при изготовлении ряженки, южной простокваши, варенца <(рис. 28, б).
!' Болгарская палочка (Lactobacillus bulgaricus)– крупные палочки (иногда зернистые), часто образующие длинные цепочки. Не сбраживает сахарозу. Термофильная бактерия, оптимальная температура ее развития 40–45 °С, минимальная–15–20°С. Это активный кислотообразователь, накапливающий в молоке 2,5–3,5 % молочной кислоты. Используется при изготовлении южной простокваши, кумыса.
I Ацидофильная палочка (L. acidophilus) – термофильная бактерия (рис. 28,в). Температурный оптимум роста 37–40°С, минимум – около 20°С. При сквашивании в молоке накапливается до 2,2 %, кислоты. Некоторые виды этой бактерии способны к слизеобразованию. Используется в производстве ацидофильных кисломолочных продуктов. ^Ацидофильные палочки вырабатывают антибиотические вещества, активные по отношению к возбудителям кишечных заболеваний. Из чистых культур ацидофильных бактерий изготовляют биопрепараты, применяемые в животноводстве для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний сельскохозяйственных животных. Биопрепараты добавляют в корм скоту.
Дельбрюковская палочка – зерновая термофильная палочка (L. delbrueckii), которая встречается поодиночке, короткими и длинными цепочками. Не сбраживает лактозу, поэтому в молоке не развивается. Оптимум температуры 45– 50 °С, минимум 20°С. Образует в субстрате до 2,5% кислоты. Применяется в производстве молочной кислоты и хлебопечении. | Молочнокислая палочка (L. plantarum)–небольшие палочки, часто сцепленные попарно или цепочкой. Температурный оптимум около 30°С. Накапливает до 1,3% кислоты. Это основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов.
Из гетероферментативных молочнокислых бактерийнаиболее важными втехническом отношении являются следующие.
L. brevis – палочковидные бактерии, сбраживающие сахара при квашении капусты и огурцов с образованием кислот (молочной и уксусной), этилового спирта и углекислого газа.
Leuconostoc cremoris – удлиненные кокки, которые могут быть одиночными, парами или в виде коротких цепочек. При . сбраживании лимонной кислоты образует диацетил. Температурный оптимум 20–25 °С. Этот лейконосток вводят в закваски для ароматизации продуктов.
Некоторые виды Leuconostoc являются активными слизе-образователями. В субстратах, содержащих сахарозу, образуют много «клейкого» полисахарида декстрана. При этом субстрат приобретает густую слизистую консистенцию.
Практическое значение молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. Особенно велика их роль в молочной -' промышленности (см. гл. 7, с. 175).
Большое значение эти бактерии имеют при квашении овощей (см. с. 236), силосовании кормов (растительной массы) для животных, в хлебопечении, особенно при изготовлении ржаного хлеба. В последние годы с положительными результатами ведутся исследования по использованию молочнокислых бактерий при изготовлении некоторых сортов колбас (см. с. 200), а также в процессе созревания слабосоленой рыбы для ускорения процесса и придания продуктам новых ценных качеств (вкуса, аромата, консистенции и др.).
| Промышленное значение имеет также применение молочнокислого брожения для получения молочной кислоты, которую используют в консервной, кондитерской промышленности и в производстве безалкогольных напитков.
Сырьем для производства молочной кислоты брожением служат патока, крахмал и другое крахмал- и сахарсодержа-щее сырье. Крахмал предварительно осахаривают. Вырабатывают молочную кислоту также из молочной сыворотки за счет сбраживания содержащейся в ней лактозы. В первом случае для брожения применяют палочку Дельбрюка, во втором – L. bulgaricus и S. lactis. *
Спонтанно (самопроизвольно) возникающее молочнокислое брожение в продуктах (молоке, вине, пиве, безалкогольных напитках и др.) приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению и др.).
прЬпиЬно'во'кислое брожение
Пропионовокислое брожение – это превращение сахара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и уксусную ^кислоты с выделением углекислого газа и воды: |
Некоторые пропионовокислые бактерии образуют, кроме того, немного других кислот (муравьиновую, янтарную, изова-лериановую).
При пропионовокислом брожении превращение глюкозы до пировиноградной кислоты аналогично протекающему при спиртовом и гомоферментативном молочнокислом брожениях. В дальнейшем восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую происходит сложно и изменяется в зависимости от условий. Это брожение вызывают бактерии, относящиеся к семейству Propionibacteriaceae, роду Propionibacterium. Это неподвижные, бесспоровые, грамположительные палочки, слегка искривленные. В неблагоприятных условиях развития клетки нередко принимают булавовидную форму (рис. 29).
Пропионовокислые бактерии по ряду свойств близки к молочнокислым и часто развиваются совместно с ними. Они весьма требовательны к пище (источникам азота и витаминов). Большинство не развиваются при рН среды ниже 5,0–4,5.
Пропионовокислые бактерии– факультативные анаэробы, но могут выносить лишь низкое парциальное давление кислорода. Оптимальная температура их развития 30–35 °С, но они хорошо растут и при 15–25 °С и отмирают при температуре 60– 70 °С.
Эти бактерии, помимо Сахаров и молочной кислоты, способны сбраживать пировиноградную кислоту, глицерин и некоторые другие вещества. Они разлагают (дезаминируют) аминокислоты, при этом выделяются жирные кислоты.
Пропионовокислое брожение является одним из важных процессов при созревании сыров. При развитии пропионово-кислых бактерий в сырной массе образуемая молочнокислыми бактериями кислота (точнее, ее кальциевая соль) превращается в пропионовую кислоту, уксусную кислоту и углекислый газ. Выделение последнего вызывает образование сырных «глазков» – пустот. Присутствие пропионовой и уксусной кислот в сыре обусловливает его своеобразные острый вкус и запах.
Пропионовая кислота и ее соли являются ингибиторами плесеней и могут быть использованы для предотвращения плесневения продуктов. Некоторые виды, например P. freu-denreichii subsp. shermanii, применяют для получения витамина Bl2.
Рис. 29. Пропионовокислые бактерии
МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ
Маслянокислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода по уравнению
Кроме основных продуктов брожения, в качестве побочных при этом получаются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.
Химизм маслянокислого брожения.В этом виде брожения сахар претерпевает те же превращения, как при спиртовом и
гомоферментативном молочнокислом брожениях, вплоть до образования пи-ровиноградной кислоты. Пировино-градная кислота расщепляется до аце-тилкоэнзима А (СН3СОКоА), ССЬ и Н2. Две молекулы образовавшегося , двууглеродного соединения конденсируются, и из синтезированного при этом четырехуглеродного соединения в сложном цикле последовательных превращений через ряд промежуточных продуктов образуется масляная кислота.
Возбудители маслянокислого брожения.Маслянокислые бактерии представляют собой подвижные довольно крупные палочки. Они образуют споры, которые располагаются центрально или ближе к одному из концов клетки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки (рис. 30). Споры довольно термоустойчивы, выдерживают кипячение в течение нескольких минут.
Характерной особенностью этих бактерий является наличие в клетках крахмалоподобного полисахарида гранулезы (в виде зернышек –гранул), окрашивающегося от йода в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет.
Эти бактерии –строгие анаэробы. Оптимальная температура их развития 30–40°С. Они чувствительны к кислотности среды, оптимум рН 6,9–7,4; при рН ниже 4,5–4,9 прекращают развиваться. >
Маслянокислые бактерии относятся к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. Типичным их представителем является С1.
butyricum. /
Многие из них способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные соединения –декстрины, крахмал, пектиновые вещества, глицерин, соли молочной кислоты. По отношению кисточникам азота эти бактерии неприхотливы.
Рис. 30. Маслянокислые бактерии
Они могут усваивать азот как белковый и аминокислотный, так и аммонийный, а некоторые виды используют даже свободный азот из воздуха.
Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Постоянным местообитанием их являются почва, илистые отложения на дне водоемов, скопления разлагающихся растительных остатков. Встречаются они и в различных пищевых продуктах.
Практическое значение маслянокислого брожения.В природе это брожение имеет положительное значение как звено в цепи многообразных превращений органических веществ. В народном хозяйстве оно часто приносит значительный ущерб. Маслянокислые бактерии могут вызвать массовую, гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов (бом-баж), прогоркание молока, увлажненной муки и т. д. Они вызывают порчу квашеных овощей при замедленном молочнокислом брожении; образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.
Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты, которая широко используется в промышленности.
Масляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с неприятным резким запахом. Слабые растворы этой кислоты обладают специфическим сырным запахом. Эфиры масляной кислоты отличаются приятным ароматом, например метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый – грушевый, амиловый эфир – ананасный. Их используют как ароматические вещества в кондитерской и парфюмерной промышленности, а также при изготовлении фруктовых напитков.
АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ
Близким к маслянокислому является ацетонобутиловое брожение, в процессе которого образуется значительно большее количество бутилового спирта и ацетона, чем при обычном маслянокислом брожении. При этом образуется также этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются углекислый газ и водород.
Возбудители ацетонобутилового брожения представляют собой подвижные спорообразующие палочки, анаэробы.
В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. После отгона из бражки ацетона и спиртов остающийся отход – барду – используют для извлечения витамина В2, который продуцируют ацетонобутиловые бактерии. Барда может быть использована и для выращивания метановых бактерий, которые синтезируют витамин В12.
В настоящее время ацетон и бутиловый спирт получают и химическим синтезом.
БРОЖЕНИЕ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
Этот вид брожения близок к маслянокислому. Под воздействием пектолитических ферментов микроорганизмов, развивающихся в растительном пищевом сырье и в продуктах его
Переработки, протопектин превращается в растворимый пектин. Пектин разлагается с образованием галактуроновых кислот, углеводов (ксилозы, галактозы, арабинозы), метилового спирта и других веществ. Сахара сбраживаются бактериями по типу маслянокислого брожения с образованием уксусной и масляной кислот, углекислого газа и водорода. Все эти процессы приводят к мацерации (распаду) пораженных объектов и к другим видам их порчи.
Возбудителями брожения являются- спорообразующие анаэробные, подвижные бактерии.
В природе (в воде, почве) пектиноразрушающие бактерии играют большую роль в процессе разложения растительных остатков.
Пектиновое брожение лежит в основе процесса мацерации прядильных растений (льна, конопли и др.) при их водяной мочке.
БРОЖЕНИЕ КЛЕТЧАТКИ
Клетчатка (целлюлоза) является основным веществом клеточных стенок растений.
Брожение клетчатки состоит в разложении ее в анаэробных условиях с образованием масляной и уксусной кислот, углекислого газа, этилового спирта, водорода.
Этот процесс вызывают спорообразующие мезофильные и термофильные целлюлозные бактерии. Обладая ферментами целлюлазой и целлобиазой, они гидролизуют клетчатку до глюкозы, которую сбраживают по типу маслянокислого брожения.
Мезофильные целлюлозоразрушающие бактерии впервые были выделены В. Л. Омелянским. Температурный оптимум развития этих бактерий около 30–35 °С. Термофильные анаэробные целлюлозоразрушающие бактерии имеют температурный оптимум около 60 °С. Они детально изучены А.чА. Им-шенецким.
Целлюлозные бактерии широко распространены в природе. Их биохимическая деятельность имеет большое значение в, общем круговороте углерода в природе. Велика их роль при разрушении осадков производственных и бытовых сточных вод в очистных сооружениях метантенках. Однако целлюлозные бактерии причиняют и вред, разрушая многие материалы, содержащие клетчатку.
Аэробные процессы
К окислительным (аэробным) процессам относят вызываемые микроорганизмами биохимические процессы, протекающие с участием кислорода воздуха.
Большинство аэробных микроорганизмов окисляют органические вещества в процессе дыхания до углекислого газа и воды. Однако некоторые окисляют их частично, в результате чего в среде накапливаются не вполне окисленные органические соединения.
Поскольку эти продукты окисления сходны с образующимися при брожениях, некоторые процессы неполного окисления условно называют окислительными брожениями.
УКСУСНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ
Уксуснокислое брожение – это окисление бактериями этилового спирта в уксусную кислоту:
Такое брожение было известно еще в глубокой древности. В оставленном на воздухе сосуде с виноградным вином или пивом через день-два на поверхности напитков появлялась сероватая пленка, при этом вина (пиво) мутнели и прокисали.
Химизм уксуснокислого брожения.При уксуснокислом брожении реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Сначала образуется уксусный альдегид, который затем окисляется в уксусную кислоту:
Возбудители уксуснокислого брожения.Уксуснокислые бактерии представляют собой грамотрицательные, палочковидные, бесспоровые, строго аэробные организмы. Среди них есть подвижные и неподвижные бактерии. Они кислотоустойчивы и некоторые могут развиваться при рН среды около 3,0; оптимальное значение рН 5,4–6,3.
Уксуснокислые бактерии отнесены к двум родам: Glucono-bacterium – палочки с полярными жгутиками, неспособные окислять уксусную кислоту, и Acetobacter – перитрихи, окисляющие уксусную кислоту до углекислого газа и воды.
Эти бактерии различаются размерами клеток, устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и другими признаками. Например, A. aceti накапливает в среде до б % уксусной кислоты, A. aceti subsp. orleanensis – до 9,5, a A. aceti subsp. xylinum – до 4,5 %. A. aceti выдерживают довольно высокую концентрацию спирта – до 9–11 %, a A. aceti subsp. xylinum – лишь 5–7 % ·
Оптимальная температура роста для уксуснокислых бактерий около 30 °С. Некоторые из них способны синтезировать витамины Βι, Вг и В12, однако многие сами нуждаются в витаминах, и прежде всего в пантотеновой кислоте.
Уксуснокислые бактерии часто встречаются в виде длинных нитей, и многие образуют пленки на поверхности субстрата. Например, для A. pasteurianus характерна сухая морщинистая пленка, для A. aceti subsp. xylinum – мощная хря-щевидная пленка, в состав которой входит клетчатка. Некоторые бактерии образуют лишь островки пленки на поверхности жидкости или кольцо около стенок сосуда. Появление пленок связано с ослизнением клеточных оболочек.
Этим бактериям свойственна изменчивость формы клеток. В неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают
необычную форму – толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки (рис. 31).
Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе. Они встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.
Практическое значение уксуснокислого брожения.На уксуснокислом брожении основано промышленное получение уксуса для пищевых целей.
Процесс ведут в специальных башневидных чанах (генераторах), внутри которых неплотно заложены буковые стружки. В верхней части генератора имеется приспособление для равномерного орошения стружек перерабатываемым
спиртсодержащим субстратом. Исходным сырьем служит уксусноспиртовой раствор с питательными (для бактерий) солями или разбавленное подкисленное вино. Подкисление субстрата необходимо для того, чтобы предотвратить развитие вредителей производства – пленчатых дрожжей и слизеобразую-щих непроизводственных видов уксуснокислых бактерий, которые могут попасть извне. Производственной культурой чаще служит A. aceti. В стенках генератора имеются отверстия для засасывания (или вдувания) воздуха. Чем лучше аэрация, тем активнее протекает процесс брожения.
По мере протекания субстрата по стружкам уксуснокислые бактерии, обильно заселяющие стружки, окисляют спирт в уксусную кислоту, и в нижней части аппарата накапливается готовый уксус, который периодически сливают через сифонное устройство генератора. Заряженный генератор работает непрерывно в течение многих месяцев, если культура бакте!-рий не загрязнится посторонними вредными микроорганизмами.
Уксуснокислые бактерии могут при недостатке спирта окислять уксусную кислоту до углекислого газа и воды. Этот процесс называется переокислением, он опасен для производства.
В генераторах ив готовом уксусе часто разводятся уг-рицы – мелкие (длиной 1–2 мм) черви, которые питаются уксусными бактериями. Уксус становится мутным, приобретает неприятный привкус. Уксус очищается от них пастеризацией с последующей фильтрацией.
Рис. 31. Пленка уксуснокислых бактерий
В настоящее время процесс производства уксуса стали, вести «глубинным» способом в герметично закрытых аппаратах, в которых спиртсодержащий субстрат с введенными в него уксуснокислыми бактериями аэрируется и перемешивается непрерывно подаваемым в аппарат воздухом. Этот метод имеет ряд преимуществ: меньше требуется производственных площадей, процесс автоматизирован и протекает значительно быстрее, исключена инфекция извне:
Самопроизвольное развитие уксуснокислых бактерий в вине, пиве, квасе, безалкогольных напитках и других продуктах приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению).
Окисление других спиртов и сахара уксуснокислыми бактериями.Уксуснокислые бактерии могут окислять и другие одноатомные спирты, например пропиловый спирт в пропионовую кислоту, бутиловый – в масляную. Метиловый спирт и одноатомные высшие спирты эти бактерии не окисляют.
Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют глюкозу в глюконовую кислоту:
Превращение глюкозы в глюконовую кислоту известно как глюконовокислое брожение. Глюконовая кислота применяется в медицине, ветеринарии и в фармацевтической промышленности. Кроме уксуснокислых бактерий, глюконовую кислоту в глюкозосодержащих субстратах образуют некоторые флуоресцирующие бактерии (например, Pseudomonas fluores-cens) и некоторые плесневые грибы из родов Aspergillus и Penicillium, которые также используют в промышленности.
Интенсивность образования глюконовой кислоты зависит от состава сбраживаемого субстрата, интенсивности аэрации, штамма гриба и др.
Особый интерес представляет окисление некоторыми уксуснокислыми бактериями многоатомных спиртов в кетоспирты или кетосахара. Эти процессы и вызывающие их бактерии называют кетогенными. В промышленности используют окисление шестиатомного спирта сорбита в сорбозу:
Сорбоза применяется при синтезе аскорбиновой кислоты (витамина С).
Имеет значение также окисление уксуснокислыми бактериями глицерина в диоксиацетон, являющийся ценным продуктом для химической промышленности:
ЛИМОННОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ
Плесени в процессе дыхания также нередко окисляют углеводы, но недо углекислого газа иводы, поэтому в среде
накапливаются продукты неполного окисления – различные органические кислоты (щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная и др.).
Образование грибами лимонной кислоты применяется в промышленности.
Лимоннокислым брожением называется окисление глюкозы грибами в лимонную кислоту. Конечный результат брожения можно представить следующим суммарным уравнением:
Химизм образования лимонной кислоты из сахара до настоящего времени окончательно не установлен. Большинство исследователей считает, что это брожение до образования пи-ровиноградной кислоты протекает, как и другие виды брожения. Далее превращение пировиноградной кислоты в лимонную сходно с ее образованием в цикле Кребса (см. с. 68).
Технические приемы биохимического получения лимонной кислоты в СССР были разработаны В. С. Буткевичем и С. П. Костычевым.
Возбудителем брожения является гриб Aspergillus niger.
Основным сырьем служит меласса – черная патока. Раствор ее, содержащий около 15 % сахара, в который добавляют необходимые для гриба питательные вещества (различные минеральные соли), стерилизуют и наливают невысоким (8–12 см) слоем в плоские открытые сосуды-кюветы и засевают спорами гриба. Кюветы помещают в растильные камеры, которые хорошо аэрируются. Процесс продолжается б– 8 дней при температуре около 30 °С. Гриб развивается на поверхности сбраживаемой жидкости. Выход лимонной кислоты достигает 60–70 % израсходованного сахара. По окончании брожения раствор из-под пленки гриба сливают. Лимонную кислоту выделяют из раствора и подвергают очистке и кристаллизации. При отсутствии в растворе сахара эта кислота может быть окислена грибом до более простых продуктов – щавелевой и уксусной кислот, углекислого газа и воды.
Описанный поверхностный метод (гриб развивается на поверхности сбраживаемого субстрата) получения лимонной кислоты заменяется в настоящее время глубинным методом, при котором предварительно выращенный (в виде гранул) мицелий гриба вносят в сбраживаемую жидкость, помещенную в герметично закрывающийся танк (ферментатор). В период брожения жидкость в танке непрерывно аэрируют и перемешивают стерильным воздухом. Этот способ повышает производительность труда, позволяет избежать заражения сбраживаемого субстрата посторонними микроорганизмами, процесс легче автоматизировать и механизировать.
Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, в кулинарной практике и медицине.
РАЗЛОЖЕНИЕ КЛЕТЧАТКИ И ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
Разложение клетчатки и пектиновых веществ в аэробных условиях происходит под действием микроорганизмов, которые имеют пектолитические ферменты и целлюлазу. Сначала микроорганизмы гидролизуют клетчатку и пектиновые вещества, а затем окисляют продукты гидролиза до углекислого газа и воды. Такой способностью обладают многие грибы и некоторые бактерии (цитофаги, некоторые миксобактерии и актиномицеты, см. с. 21).
Аэробное разложение клетчатки и пектиновых веществ широко распространено в природе и имеет огромное значение в процессах минерализации растительных остатков. Однако целлюлозо- и пектинразлагающие микроорганизмы могут значительно снизить качество различных промышленных материалов, содержащих клетчатку, а также растительного пищевого сырья (плодов, овощей). Гидролиз пектиновых веществ приводит к разрыхлению мякоти плодов и овощей, вплоть до распада тканей (появляется мокрая гниль), а гидролиз клетчатки – к разрушению стенок клеток мякоти и внедрению в них микроорганизмов.
РАЗРУШЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
В древесине находится главным образом клетчатка (до 50– 55%), инкрустированная лигнином, содержание которого доходит до 30%. Кроме клетчатки и лигнина, в древесине имеется до 15 % гемицеллюлозы и некоторое количество смолистых и других веществ. Сухая древесина стойка и может длительно сохраняться без изменения, но во влажном состоянии она сравнительно легко поражается различными грибами, преимущественно трутовыми, относящимися к базидиальным грибам (см. с. 35).
Все трутовые грибы обладают экзоферментом целлюлазой и вызывают деструктивное разрушение древесины, при этом она крошится, темнеет, растрескивается.
Некоторые трутовики обладают, кроме того, ферментами, воздействующими на лигнин. Они вызывают коррозионное разрушение древесины, которая при этом размягчается, становится волокнистой.
Продукты ферментативного разрушения древесины являются для грибов источником питания и энергии.
Наиболее активными, поражающими заготовительную древесину в складских помещениях и обработанную, используемую в постройках, а также тару являются грибы семейств пориевых и кониофоровых. Из последних особо опасен настоящий домовый гриб (Serpula lacrymans). Борьба с ними основана на применении мероприятий профилактического характера и обработке антисептиками.
РАЗЛОЖЕНИЕ ЖИРОВ И ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Под действием различных физико-химических факторов внешней среды, а также микроорганизмов жиры могут подвергаться значительным изменениям.
Воздействие микроорганизмов на жир начинается обычно с гидролиза его под влиянием ферментов липаз на глицерин и свободные жирные кислоты. Жирные кислоты накапливаются в субстрате, поэтому нередко о снижении качества жира судят по изменению его «кислотного числа» –- показателю содержания свободных жирных кислот. Продукты гидролиза подвергаются превращениям. Глицерин используется многими микроорганизмами и может быть полностью окислен до углекислого газа и воды. Жирные кислоты разрушаются медленнее, но и они, в первую очередь ненасыщенные, постепенно окисляются.
Некоторые микроорганизмы, помимо липолитических ферментов (липаз), обладают окислительным ферментом липокси-геназой, катализирующей процесс окисления кислородом воздуха некоторых ненасыщенных жирных кислот. В результате образуются перекиси жирных кислот, легко подвергающиеся дальнейшему окислению с образованием различных промежуточных продуктов – оксикислот, альдегидов, кетонов и других, придающих жиру специфические неприятные вкус (прогорклость) и запах.
Промежуточные продукты окисления жира и жирных кислот в свою очередь могут быть использованы микроорганизмами в процессах их метаболизма и в конечном счете превратиться в углекислый газ и воду.
Возбудителями процессов разложения жира и жирных кислот являются различные бактерии, многие плесени, некоторые дрожжи и актиномицеты. Из бактерий очень активны бактерии рода Pseudomonas, особенно флуоресцирующие (продуцирующие пигменты). Из плесеней значительной липолитической активностью обладают Oidium lactis, Cladosporium herbarum, многие виды Aspergillus и Penicillium.
Порча пищевых жиров и жира, содержащегося в различных продуктах (рыбных, молочных, крупяных и др.), очень распространена и нередко наносит большой ущерб народному хозяйству.
Многие жирорасщепляющие микроорганизмы являются пси-хротрофами, способными развиваться при низких положительных температурах.
При длительном хранении жиров в условиях, не допускающих развитие микробов, порча жира может быть результатом химических процессов под влиянием света, кислорода воздуха.
Разложение жиров микроорганизмами в природных условиях (в почве, в воде) происходит постоянно и имеет большое значение в общемкруговороте веществ в природе.