Библиотека по биологии Библиотека по биологии
Новости    Библиотека    Карта сайта    Ссылки    О сайте






предыдущая главасодержаниеследующая глава

Брожение

Брожением называется анаэробный процесс превращения безазотистых органических веществ (главным образом углеводов) микроорганизмами, при котором происходит накопление продуктов неполного окисления (спиртов, органических кислот, углеводов и др.) и который сопровождается выделением энергии. Биологическое значение брожения заключается в образовании энергии для осуществления жизнедеятельности микроорганизмов подобно дыханию животных и растений.

Процессы брожения широко распространены в природе. Микроорганизмы, вызывающие брожение, совершают грандиозную биохимическую работу. С энергетической точки зрения процессы брожения крайне неэкономичны. Но возможно, продукты брожения являются, кроме того, орудиями борьбы между разными видами микробов за место своего обитания, так как микробы - возбудители брожения могут выдерживать большие концентрации продуктов брожения, чем другие виды.

Различают следующие виды брожения по характеру накапливающихся при брожении главных продуктов: молочнокислое, пропионовокислое, масляно-кислое, ацетоноэтиловое и ацетонобутиловое, анаэробное разложение клетчатки, которые вызываются различными бактериями, и спиртовое брожение, вызываемое главным образом дрожжами.

Аэробные процессы окисления вызываются бактериями и грибами Эти организмы имеют полный набор дыхательных ферментов, благодаря чему водород окисляемого вещества передается молекулярному кислороду, который всегда имеется в среде. Поэтому в энергетическом отношении эти процессы очень эффективны. К процессам окисления относятся: окисление этилового спирта в уксусную кислоту, окисление жиров, клетчатки, окисление углеводов плесневыми грибами, окисление углеводородов, молекулярного водорода и др.

Спиртовое брожение. Спиртовым брожением называется превращение микроорганизмами углеводов в этиловый спирт и углекислоту. Химическая схема спиртового брожения без учета промежуточных этапов выражается уравнением С6Н12О6=2СН3СН2ОН+2С02+27 ккал. Это брожение вызывается дрожжами, а также мукоровыми грибами. Впервые дрожжи наблюдал еще А. Левенгук в 1680 г. Но истинную роль дрожжей в спиртовом брожении установил Луи Пастер в 1857 г.

Дрожжи, возбудители этого брожения, - факультативные анаэробы. Как источник азота они используют аминокислоты, пептон, а также аммонийные соли. При развитии в бескислородной среде они получают энергию за счет спиртового брожения, а в аэробных условиях - частично за счет окисления питательных веществ до углекислоты и воды. Это говорит о том, что дрожжевые клетки содержат очень сложный комплекс ферментов. При широком доступе кислорода у дрожжей помимо дыхания параллельно идет и процесс брожения - настолько ферменты дрожжей специализированы в направлении брожения.

Дрожжи широко распространены в природе. Они всегда встречаются на поверхности фруктов и ягод, на листьях. С опадающими фруктами и ягодами дрожжи попадают в почву, где перезимовывают, а затем опять попадают на растения вместе с пылью, а также заносятся насекомыми, птицами. Это гак называемые дикие дрожжи.

Спиртовое брожение широко используется в промышленности: в виноделии, пивоварении, винокурении и хлебопечении. В этих производствах употребляют культурные дрожжи, отличающиеся от диких дрожжей высокой производительностью.

В винокурении и хлебопечении применяются верховые дрожжи Saccharomyces cerevisiae, вызывающие бурное брожение с энергичным газообразованием, образованием поверхностной пены, выделением тепла. Они развиваются при температуре 18-30°. В пивоварении применяются дрожжи низового брожения, которое протекает гораздо спокойнее при более низкой температуре (4-10°), дрожжевые клетки размножаются в нижних слоях и оседают на дно.

Когда в процессе брожения в среде накапливается спирта до 15% и более, брожение прекращается, так как спирт, как отход их жизнедеятельности, является для них вредным продуктом.

При спиртовом брожении кроме спирта и СО2 образуются еще в незначительном количестве сивушные масла и глицерин. Сивушные масла (амиловый и другие спирты) образуются при разложении дрожжами аминокислот и связаны, таким образом, с азотистым питанием дрожжей. При прибавлении к питательной среде сульфитов Na23, СаSО3 увеличивается количество глицерина. В результате из сахара получают 22% спирта и 20% глицерина.

Химизм спиртового брожения изучен довольно хорошо. В основном это брожение протекает по схеме Эмбдена - Мейергофа, приведенной в таблице 5 (из книги М. Фробишера).

Таблица 5. Схема диссимиляции глюкозы по Эмбдену-Мейергофу
Таблица 5. Схема диссимиляции глюкозы по Эмбдену-Мейергофу

Дрожжи имеют фермент карбоксилазу, под влиянием которого пировиноградная кислота распадается на углекислый газ и уксусный альдегид:

СН3СОСООН=СН3СНО+С02,

из уксусного альдегида образуется спирт за счет восстановления активным водородом:

СН3СНО+2Н=СН3СН2ОН

Современное производство спирта исходит из биологии дрожжей на основе микробиологической техники. Поэтому широко применяется стерилизация и микробиологический контроль. Если в затор (субстрат, подготовленный для брожения) попадут в большом числе бактерии, то они могут испортить все течение брожения.

Винный спирт в настоящее время готовится из различного сырья. Так, брожению подвергаются следующие вещества:

1. Вещества, содержащие крахмал (рожь, ячмень, кукуруза, картофель) или сахара (свекла, сахарная патока). Дрожжи не имеют фермента для разложения крахмала, почему крахмал предварительно осахаривают солодом, содержащим фермент амилазу. Осахаренный затор подкисляют прибавлением молочнокислых бактерий, которые подавляют рост гнилостных, маслянокислых и других вредных бактерий. По достижении достаточной кислотности молочнокислые бактерии убиваются нагреванием. Брожение ведется на чистых культурах дрожжей. Дрожжи при помощи фермента инвертазы переводят сахарозу в 6-моносахара, а последние сбраживаются в этиловый спирт (6-10°). По окончании брожения спирт отгоняется от барды и очищается от сивушных масел.

Рис. 32. Болгарская палочка
Рис. 32. Болгарская палочка

2. Гидролизаты образуются при обработке отходов древесины соляной и серной кислотами. В результате происходит осахаривание клетчатки древесины. К полученному суслу прибавляют азотнокислые и фосфорнокислые соли и винные дрожжи, уже приспособленные к брожению в этих условиях. Из одного кубического метра древесины получается 158 л винного спирта.

3. Сульфитные щелоки являются отходами производства целлюлозы. Из тонны щелоков получается около 5-10 л 96°-ного спирта.

4. В настоящее время этиловый спирт получают на крупных заводах синтетическим путем методом косвенной или прямой гидратации газа этилена. Этот чисто химический метод получения винного спирта из непищевого сырья очень экономичен.

Молочнокислое брожение. Скисание молока известно человеку еще с древних времен, но только в 1857 г. Пастером была установлена микробная природа этого брожения. Таким образом, он впервые доказал значение микроорганизмов как возбудителей брожения.

Различают типичное (гомоферментативное) и нетипичное (гетероферментативное) брожение. Типичное молочнокислое брожение - процесс расщепления углеводов (лактозы, мальтозы, сахарозы, глюкозы и др.) с образованием молочной кислоты без побочных продуктов по уравнению С6Н12О6=2С3Н6О3+18 ккал.

В северных широтах возбудителем этого брожения обычно является молочный стрептококк, вызывающий естественное скисание молока. Оптимальная температура для него 30-35°. Вторая группа возбудителей типичного брожения - палочковидные бактерии. Из них болгарская палочка обычно вызывает естественное скисание молока в южных районах. Оптимальная температура для жизнедеятельности около 40°, условный анаэроб. В эту группу входит Thermobacterium cereale. Она приспособлена к усвоению углеводов растительного происхождения - мальтозы и др. Молочный сахар она не разлагает, используется при заводском получении молочной кислоты.

Молочнокислые бактерии требовательны к азоту (они усваивают его только из аминокислот) и к наличию витаминов группы В. Больше всего кислоты образует болгарская палочка (3,2%), затем Thermobacterium cereale (2,2%), молочный стрептококк (0,8-1%). В присутствии нейтрализаторов кислоты накопление молочной кислоты сильно увеличивается.

Химизм молочнокислого брожения. Первые этапы молочнокислого брожения идут, как и при спиртовом брожении. Но гомоферментативные молочнокислые бактерии не имеют фермента карбоксилазы, поэтому С. П. Костычев полагал, что пировиноградная кислота восстанавливается до молочной:

СН3СОСООН+2Н=СН3СНОНСООН.

Но возможно, молочная кислота образуется из фосфоглицеринового альдегида путем одновременного окисления и восстановления, так как из пировиноградной кислоты при воздействии на нее ферментов из Thermobacterium cereale была получена не молочная, а уксусная кислота.

Бактерии нетипичного (гетероферментативного) молочнокислого брожения имеют фермент карбоксилазу, поэтому производят брожение с образованием молочной кислоты, уксусной кислоты, этилового спирта и газообразных продуктов - углекислоты. В эту группу входит Bact. brassicae, участвующая в квашении капусты. При засолке огурцов молочнокислое брожение вызывает Bact. cucumeris. Широко распространена на разных растительных продуктах и вызывает скисание их Lactobacterium plantarum. Перечисленные бактерии широко распространены в природе - в почве, на различных растительных остатках. Вызываемое ими брожение имеет значение в минерализации растительных остатков в почве. Некоторые виды бактерий этой группы сбраживают не только гексозы, но и пентозы, которые имеются в растительных остатках в большом количестве в виде пентозанов.

Молочнокислое брожение вызывает кишечная палочка и близкая к ней Bact. lactis aerogenes. Это мелкие палочки, грамотрицательные, факультативные анаэробы. Они имеют большой набор различных ферментов. При брожении образуется: молочной кислоты около 40% от сброженного сахара, янтарной кислоты 20%, спирта и уксусной кислоты по 10% и газов 20%. Белки они разлагают по типу гнилостного распада. Присутствие этих бактерий в молочных продуктах говорит о их фекальном загрязнении.

Типичное молочнокислое брожение имеет широкое применение в пищевой промышленности, особенно в молочном хозяйстве. Молочнокислое брожение лежит в основе приготовления простокваши, кефира, кумыса, сыра; консервирования овощей, фруктов; квашения капусты; силосования кормов; получения технической молочной кислоты. Типичные молочнокислые бактерии очень полезны. Они являются антагонистами гнилостных микробов. И. И. Мечников первый указал на эту сторону молочнокислых бактерий. Молочнокислые бактерии в процессе своей жизнедеятельности образуют молочную кислоту: создавая кислую реакцию среды, они предохраняют казеин молока от разложения гнилостными бактериями. Так, с незапамятных времен молочнокислые бактерии являются друзьями человека, предохраняющими молочные и другие продукты от порчи.

Для приготовления простокваши на молочных заводах молоко пастеризуют, для того чтобы убить болезнетворные микробы и всегда находящихся в молоке представителей нетипичного брожения - гнилостных бактерий. Затем прибавляют чистую культуру соответствующей молочнокислой бактерии и оставляют при определенной температуре для брожения. Накапливающаяся при этом молочная кислота отщепляет кальций от казеина молока. Казеин переходит в нерастворимый параказеин, выпадающий в виде творожистой массы. Простокваша должна быть одинаковой плотности без сыворотки и вспучивания газами. Когда получается простокваша с сывороткой, ноздреватым сгустком, то, значит, приготовление ее было грязным, неопрятным, в брожении принимали участие нетипичные молочнокислые бактерии, чаще всего кишечная палочка - показатель фекального загрязнения.

Сметану получают прибавляя к сливкам чистую культуру молочнокислых бактерий Streptococcus cremoris.

Ацидофилин получают заквашиванием пастеризованного молока ацидофильной палочкой, выделенной из кишечника грудных детей. Эта палочка хорошо приживается в кишечнике, тогда как болгарская палочка, рекомендованная Мечниковым, в кишечнике приживается плохо.

Симбиотическим действием молочнокислых бактерий и дрожжей получают пенистые кислоспиртовые напитки - кефир, кумыс, хлебный квас и др. Кефир получается из казеина, молока, молочнокислых палочек, дрожжей из рода Торула. Кефир содержит 1% молочной кислоты и 0,6% спирта. Кумыс приготовляют из кобыльего молока, а также из коровьего. Он содержит 2% спирта и более 1% молочной кислоты.

Производство молочной кислоты основано на сбраживании мальтозы, полученной из осахаренного солодом крахмала Thermobacterium cereale при температуре 48-50°.

Квашение овощей при быстром росте овощного хозяйства приобретает все большее значение. Овощи плотно закладывают в чаны, чтобы создать анаэробные условия. Благодаря прибавлению соли происходит плазмолиз и затем гибель клеток заквашиваемых овощей - капусты, огурцов, помидоров и пр. Они быстрее отдают в рассол сок, в частности сахара. Все это благоприятствует развитию молочнокислых бактерий и накоплению молочной кислоты. Дрожжи могут продуцировать спирт и эфиры, которые придают продуктам специфический аромат и вкус.

Молочнокислые бактерии и дрожжи играют существенную роль в приготовлении черного кислого хлеба. Молочнокислые бактерии хлебной закваски придают кислый вкус хлебу, препятствуют развитию маслянокислых и гнилостных микроорганизмов, а спиртовое брожение "поднимает" тесто.

Пропионовокислое брожение вызывается особыми пропионовокислыми бактериями. Они строгие анаэробы, грамположительны. Источником азота для них служат белковые вещества. Энергию получают при разложении Сахаров и солей молочной кислоты. Конечными продуктами брожения являются пропионовая и уксусная кислоты, а также СО2 и Н2О. Они широко представлены в молочных продуктах, в почве, в кале животных и пр. Пропионовокислое брожение, а также и молочнокислое используется для получения сыров в молочно-сыродельных производствах. Сырная масса получается путем обработки молока сычужной закваской. Далее молочная сыворотка удаляется и сырная масса прессуется в котле. В это время происходит усиленное молочнокислое брожение. Когда молочный сахар бывает весь использован, молочнокислые микробы прекращают свое размножение и постепенно отмирают. Теперь молочнокислое брожение сменяется пропионовокислым, при котором соли молочной кислоты превращаются в пропионовую и уксусную кислоты и сыр приобретает специфический вкус. Углекислота образует в сыре "глазки". Производство сыра продолжается 2-3 месяца минимум, лучшие сорта выдерживаются почти до года.

Масляно-кислое брожение. Биохимическая природа масляно-кислого брожения была установлена Луи Пастером (1861). Он доказал, что масляно-кислое брожение вызывается масляно-кислыми бактериями. При этом Пастер открыл новый тип окисления - анаэробный.

Масляно-кислые бактерии довольно крупного размера (3-12 мк). Имеют жгутики. Образуют споры, поперечник спор обычно больше поперечника самой палочки, и палочки со спорой приобретают вид веретена или барабанной палочки (булавки). Они строгие анаэробы. В качестве источника углерода и энергетического материала они используют углеводы, спирты, органические кислоты; в качестве источника азота - самые различные азотные соединения: пептон, аминокислоты, аммиачные соли, а некоторые из них даже азот атмосферы. Типичное брожение идет с образованием масляной кислоты, углекислоты и водорода по уравнению:

С6Н12О6=СН3СН2СН2СООН+2СО2+2Н2+20 ккал.

Возбудители масляно-кислого брожения чрезвычайно широко распространены в природе. До 90% почвенных образцов содержат эти бактерии. Они всегда находятся в водоемах, илах, навозе, молоке, сыре и пр. Масляно-кислое брожение наблюдается всюду, где происходит разложение органических остатков в анаэробных условиях. Оно играет большую роль в круговороте углерода.

Наиболее важным представителем этой группы бактерий является Clostridium Pasteurianum - типичная масляно-кислая бактерия, один из основных азотфиксаторов, Clostridium saccharobutyricum, по-видимому, не фиксирует азот. Clostridium butyricum сбраживает углеводы с образованием бутилового и изопропилового спирта.

Масляная кислота образуется также при бактериальном разложении белковых веществ. При дезаминировании аминокислот образуются аммиак и кислоты: масляная, уксусная, пропионовая и др., но в значительно меньших количествах, чем при брожении. В еще меньших количествах масляная кислота встречается среди продуктов жизнедеятельности организмов при расщеплении бактериями самых разнообразных органических веществ.

Масляная кислота, выделяемая при брожении, хорошо усваивается рядом других бактериальных видов.

Брожение пектиновых веществ. Растительные ткани, особенно кора растений и мякоть плодов, содержат в значительном количестве межклеточное вещество, называемое пектином (pectis - студень), цементирующее клетки в тканях. В почве стебли растений разлагаются различными микроорганизмами, причем в первую очередь разлагается паренхима коры, пропитанная пектином. Этот процесс брожения пектинов также является важным в круговороте углерода. Он способствует ускорению минерализации растительных тканей. После разрушения межклеточных веществ целлюлозные стенки отдельных клеток легче подвергаются действию целлюлозоразлагающих микробов.

Пектиновое брожение вызывают Clostridium felsineura, Clostridi um pectinovorum и другие, содержащие фермент пектиназу. В результате брожения образуются масляная и уксусная кислоты, углекислота и водород.

На пектиновом брожении основана первичная обработка волокнистых растений - льна, конопли, джута, кенафа и др. - для отделения волокна от костры. Для этого производят мочку льна и других волокнистых растений в естественных стоячих водоемах, где в брожении принимают участие естественно живущие в них пектиноразлагающие анаэробы. Лучшие результаты дает искусственная мочка в заводских условиях с применением чистых культур бактерий.

Анаэробное разложение клетчатки. Огромное значение для круговорота углерода в природе имеет разложение клетчатки (целлюлозы). Половина всего углерода, находящегося на поверхности Земли, содержится в клетчатке. Клетчатка и лигнин совсем не усваиваются животными. А ежегодный прирост ее в составе растений огромный. Она составляет 50% сухого веса прироста, поэтому накапливалась бы в больших количествах на Земле, нарушая круговорот углерода. Клетчатка - очень стойкое органическое соединение и может быть разрушена только при действии очень сильных химических соединений. Но в природе она легко разрушается и вовлекается в круговорот веществ под воздействием широко распространенных целлюлозоразлагающих микробов, впервые описанных В. Л. Омелянским в 1899 г. Он установил, что анаэробное разложение клетчатки вызывают Вас. cellulosae hydrogenicus и Вас. cellulosae methanicus. Обе эти палочки морфологически похожи друг на друга, анаэробы, образуют споры, содержат ферменты целлюлозу и целлобиазу. Конечные продукты обеих палочек - масляная и уксусная кислоты, углекислота, но первая палочка еще образует водород, а вторая метан. Некоторые авторы обе эти палочки относят к одному виду Вас. Omelianskii, полагая, что метан является вторичным продуктом водородного брожения клетчатки.

Рис. 33. Целлюлозная бактерия Омелянского
Рис. 33. Целлюлозная бактерия Омелянского

А. А. Имшенецким изучены термофильные клетчаткоразлагающие бактерии Gl. thermocellum. Они развиваются только в симбиозе с другими бактериями. Оптимальная температура для них 60-65°. Конечные продукты брожения - летучие кислоты, этиловый спирт и газы.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



Пользовательский поиск


Диски от INNOBI.RU

© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2015
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://biologylib.ru/ "BiologyLib.ru: Библиотека по биологии"

Рейтинг@Mail.ru