Молочнокислое брожение- это анаэробное превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты.
По характеру брожения различают 2 группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные.
Гомоферментативные бактерии образуют в основном (не менее 85-90%) молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Гетероферментативные бактерии менее активные кислотообразователи. Наряду с молочной кислотой они образуют значительное количество других веществ-этиловый спирт, углекислый газ, ацетон, кислоты.
Химизм молочнокислого брожения.
Процесс превращения глюкозы до пировиноградной кислоты у гомоферментатавных молочнокислых бактерий протекает как и у дрожей при спиртовом брожении. Далее ввиду отсутствия у этих бактерий пируватдекарбоксилазы, пировиноградная кислота не подвергается расщеплению, она является в этом брожении конечным акцептором водорода. Пировиноградная кислота вступает во взаимодействие с восстановленным НАД Н2 (кофермент) - образуется молочная кислота. -..
СНзСОСООН + НАД Н2- СНзСНОНСООН
Превращение глюкозы гетероферментативными бактериями происходит по-иному. Отсутствие у них фермента адьдолазы меняет начальный путь превращения глюкозы. После фосфорилирования гексоза окисляется (отщепляется водород) и декарбоксилируется (отщепляется углекислый газ), превращаясь в пентозофосфат. Пентозофосфат при участии фермента фосфокеталазы расщепляется на фосфоглицериновый альдегид. Фосфорглицериновый альдегид превращается в пировиноградную кислоту, которая восстанавливается в молочную.
Гексоза ----пентофасфат----фосфоглицериновый альдегид----пируват---молочная кислота
Возбудители молочнокислого брожения- молочнокислые бактерии имеют круглую палочковидную форму. Все молочнокислые бактерии неподвижны, не образую спор, грамположительные факультативные анаэробы. Они требовательны к составу питательный среды и хорошо развиваются только при наличии полного набора аминокислот и витаминов В1, В6, РР. По отношению к температуре молочнокислые бактерии разделяются на мезофильные- с мах температурой роста-25-35 С и термофильные с оптимум около 4-45 С. Некоторые бактерии способны к слезообразованию. В питательной среде они снижают рН ниже 5 и тем самым подавляют рост других анаэробных бактерий, которые не могут развиваться в кислой среде.
В природных условиях молочнокислые бактерии встречаются на различных растениях, в почве, на пищевых продуктах, в кишечнике человека.
Наиболее важными в техническом отношении из молочнокислых бактерий являются:
1. Молочнокислый стрептококк ( Streptococcus lactis) , относится к гомоферментативным молочнокислым бактериям, находится почти во всех молочных продуктах, является основной частью микрофлоры простокваш. Является факультативным анаэробом, имеет овальную форму, окрашивается по Грамму положительно, спор и капсул не образует. соединен попарно, развивается при температуре 30-35 С, свертывается через 10-12 часов. Широко используют для изготовления кисломолочных продуктов, масла, сыра. Молочнокислый стрептококк обладает антимикробным действием, образует антибиотики-низины, устойчивые к высокой температуре и задерживающие рост многих грамположительных микробов, в том числе и патогенных.
2. Сливочный стрептококк (Str. Cremoris) представляет собой длинные цепочки сферических клеток. Оптимальная температура роста 25 С, минимальная- до 10 С. Используется в заквасках вместе с молочнокислым стрептококком для изготовления сметаны, масла, сыров.
3. Ацидофильная палочка (Lactobact. Acidophilus) термофильная бактерия. Температурный оптимум роста 37-40 С. В молоке способна накапливать до 2,2% кислоты. Вырабатывает антибиотические свойства, активна к возбудителям кишечных заболеваний. Является постоянным обитателем желудочно-кишечного тракта животных. Впервые она была обнаружена в фекалиях ребенка.э
4. К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся молочнокислые стрептококки.
Ароматобразующие ( Str. Citrovorus, Str. Diacetilactis) придают кисло- молочным продуктам приятные вкус и аромат. Для приготовления кисло-молочных продуктов ароматобразующие стрептоккоки соединяют с гомоферментативными-молочнокислым и сливочным.
Использование молочнокислого брожения
Молочнокислое брожение находится в основе силосования кормов, для этого применяют листья сахарной свеклы, кукурузу, люцерну. Растительную массу прессуют, добавляют к ней мелассу, чтобы повысить соотношение С/N и какую нибудь органическую кислоту. Большое значение малочнокислые бактерии имеют при квашения овощей, плодов ягод. Эти процессы протекают за счет естественных микроорганизмов, находящихся в заквашиваемом объекте. В мелко нарезанной, посыпанной солью и спрессованной белокачанной капусте при исключении доступа воздуха начинается спонтанное молочнокислое брожение.
Молочную кислоту используют в консервной, кондитерской промышленности, при изготовлении безалкогольных напитков.
Получение органических кислот ( маслянокислое брожение)
Маслянокислое брожение - это процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода. .
С Н О - СН СН СН СООН +2СО2 + 2Н
Кроме основных продуктов брожения получаются и побочные продукты - бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт.
Как и при спиртовом брожении маслянокислое брожение претерпевает те же превращения до образования пировиноградной кислоты. Затем пировиноградная кислота декарбоксилируется с образованием углекислого газа и уксусного альдегида. Далее в отличии от спиртовового брожения под действием фермента карболигазы уксусный альдегид конденсируется и из 2 молекул уксусного альдегида образуется - ацетальдоль
СН СНОНСН СНО - СН СН СН СООН
Возбудители брожения- маслянокислые бактерии относятся к роду Clostridium семейству Bacillaceae . Крупные, подвижные палочки, которые образуют споры, грамположительные,. Споры термоустойчивы. Бактерии строго анаэробны. Оптимальная температура развития бактерий 30-40С. Очень чувствительны к кислотности среды, оптимум рН 6,9-7,3. При рН ниже 4,9 прекращают развиваться. Многие маслянокислые бактерии способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные углеводы. Постоянным местообитанием их является почва, илистые отложения на дне водоемов.
В народном хозяйстве маслянокислое брожение часто приносит значительный ущерб, вызывая массовую гибель овощей, вспучивание сыра, порчу консервов, прогоркание молока.
Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты. При биохимическом производстве масляной кислоты сырьем служат дешевые сахаро или хроммолокосодержащие вещества. Брожение ведут при 40 С в присутствии мела для нейтрализации.
Масляная кислота- бесцветная жидкость, с неприятным резким запахом. В слабых растворах обладает спец. сырным запахом.
Ацетонобутиловое брожение
Близким к маслянокислым брожению является ацетонобутиловое брожение, в процессе которого образуется больше количество бутилового спирта и ацетона, чем при обычном маслянокислом брожении. При этом образуются этиловый спирт, масляная и уксусная кислота, выделяются водород и углекислый газ.
Ацетонобутиловое брожение протекает в две фазы:
• кислотная, во время которой усиленно размножаются бактерии и в среде накапливается масляная и уксусная кислоты.
• ацетонобутиловая, в течение которой кислотность уменьшается и происходит усиленное накопление ацетона, бутилового и этилового спиртов.
И в зависимости от условий ведения процесса можно подавлять то первую, то вторую фазу брожения. Возбудители ацетонобутилового брожения представляют собой подвижные палочки, соединенные попарно. Они анаэробы, образуют споры, сбраживают крахмал, но не сбраживают клетчатку. В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. После отгона ацетона и спиртов из отстающего отхода (барда) используют для извлечения витамина В2, который продуцирует ацетонобутиловые бактерии. Барда используется и для выращивания метановых бактерий, которые синтезируют витамин В 12. Маслянокислые бактерии в природе принимают участие в разрушение органические веществ (углеводов, спиртов). В почве маслянокислое брожение происходит постоянно.
Пропионовокислое брожение характерно для пропионовых бактерий, которые культивируются в средах, где глюкоза является источником углерода. Из 3 молекул глюкозы образуется 4 молекулы пропионовой кислоты, 2 молекулы уксусной кислоты. 2 молекулы диоксида углерода и 2 молекулы воды:
С Н О - СН СН СООН + 2СН СОСН + 2СО + 2Н О
Пропионовые бактерии представляют собой грамположительные, бесспоровые, неподвижные палочки, подразделяемые на “кожные” и “классические”. Кожные обитают на кожных покровах человека и в желудке жвачных животных- они могут быть причиной определенных патологических процессов. Классические пропионовые бактерии обитают в молоке и молочных продуктах. Температура для них 37 С, анаэробы, но образуют каталазу, перексидазу, фиксируют углекислый газ, молекулярный азот, нуждаются в витаминах. Биосинтез кислоты проводят на достаточно простых средах, такого состава: углевод-1, аммония сульфат, гидрофосфат калия, кобальта хлорид, тиамин. Эти бактерии помимо сахаров и молочной кислоты способны, сбраживать пировиноградную кислоту, глицерин. Они разлагают аминокислоты, при этом выделяются жирные кислоты.
К окислительным (аэробным) относятся вызываемые микроорганизмами биохимические процессы, протекающие с участием кислорода воздуха.
Большинство аэробных микроорганизмов окисляют органические вещества в процессе дыхания до С02 и Н2О. Однако некоторые окисляют их лишь частично. Конечными продуктами такого неполного окисления чаще являются кислоты. Поскольку эти продукты сходны с теми, которые образуются при брожениях, некоторые процессы неполного окисления условно называют окислительными брожениями.
Некоторые из этих окислительных процессов используют в промышленности.
Уксуснокислое брожение — это окисление бактериями этилового спирта в уксусную кислоту:
СН3СН2ОН + О2'=СН3СООН + Н2О.
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, они 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:
2СН8СН2ОН + О2 -> 2СН3СНО + 2Н2О; 2СН8СНО + 02 -* 2СН8СООН.
Возбудителем уксуснокислого брожения является уксусный гриб (Mycoderma aceti)
Уксуснокислые бактерии представляют собой грамотрицательные, палочковидные, бесспоровые, строго аэробные организмы. Среди них есть подвижные и неподвижные бактерии. Оyи кислотоустойчивы, и некоторые могут развиваться при рН среды до 3,2.
Уксуснокислые бактерии имеют родовое название Acetobacter.
В настоящее время описано около 20 видов этих бактерий, важнейшими из них являются: A. aceti, A. pasteurianum, А. огleanense, A. xylinum, A. schutzenbachii. 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 6% уксусной кислоты, A. orleanense — до 9,5%, A schutzenbachii — до 11,5%, a A xylinum — до 4,5%. A. aceti и A schutzenbachii выдерживают довольно высокую концентрацию спирта —до 9—11%, a A. xylinum — лишь 5—7%.
Оптимальная температура роста для различных уксуснокислых бактерий 20—35° С. Некоторые из них способны синтезировать витамины Вь В2, Bi2, 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. pasteurianum характерна пленка сухая морщинистая, для A. xylinum— мощная, хрящевидная. Некоторые бактерии сплошной пленки не образуют, а дают только островки ее на поверхности жидкости или «кольцо» около стенок сосуда. Появление пленок связано с ослизнением клеточных оболочек.
Уксуснокислым бактериям свойственна изменчивость формы клеток. В неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают необычную форму — толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки/
Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, они встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.
Практическое использование уксуснокислого брожения.
На уксуснокислом брожении основано промышленное получение
уксуса для пищевых целей. До настоящего времени еще сохранился старинный «медленный» способ производства уксуса из вина. Подкисленное уксусом и разбавленное водой вино наливают в открытые чаны (бочки) и вносят кусочки пленки уксуснокислых бактерий A orleanense- Бактерии развиваются на поверхности вина, окисляют спирт, и вино превращается в уксус. Процесс идет очень медленно. Готовый уксус частично сливают из-под пленки и добавляют новую порцию вина. Так одну и ту же пленку используют длительное время.
В промышленности для производства уксуса обычно применяют быстрый способ.
Окисление других спиртов и сахара уксуснокислыми бактериями. Уксуснокислые бактерии могут окислять не только этиловый, но и другие одноатомные спирты, например пропиловый в пропионовую кислоту, бутиловый — в масляную. Метиловый спирт и высшие одноатомные спирты эти бактерии не окисляют.
Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют до соответствующих кислот сахара альдозы, например глюкозу в глюко-новую кислоту:
2СН2ОН (СНОН)4 СНО + О2 -> 2СН2ОН (СНОН)4СООН,
Превращение глюкозы в глюконовую кислоту известно как глюко.новокислое брожение. Глюконовая кислота применяется в медицине и ветеринарии.
В качестве возбудителей этого брожения используют уксуснокислые бактерии, устойчивые к повышенному содержанию глюкозы и глюконовой кислоты. Кроме уксуснокислых бактерий, глюконовую кислоту в глюкозосодержащих субстратах образуют некоторые флуоресцирующие бактерии (например, Ps. fluores-cens) и некоторые плесневые грибы из родов Aspergillus и Реnicillium, которые также используются в промышленности.