Материал: М_кроб_олог_я КЛ

Тема 4. Найважливіші біохімічні процеси,

ЗБУДНИКАМИ ЯКИХ Є МІКРООРГАНІЗМИ

ПЛАН

1. Класифікація біохімічних процесів, що викликаються мікроор­ганізмами.

1. Процеси бродіння, їх види.

2. Роль біохімічних процесів у перетворенні речовин у природі, зміна якостей харчових продуктів під час зберігання та викорис­тання.

1. Класифікація біохімічних процесів, що викликаються мікроорганізмами

Здатність мікробів активно перетворювати різні сполуки в про­цесах дихання і харчування широко використовуються людиною для отримання цінних харчових продуктів. Завдяки цьому мікроорганіз­ми можуть також бути винуватцями їх псування. На особливу увагу заслуговують процеси перетворення речовин під час дихальних процесів (в основному анаеробних) - типові бродіння.

Бродіння - анаеробний окисно-відновний процес, що викликають як живі клітини мікроорганізмів, так і срерменти, які вони виділяють.

У 1857 р. біологічна природа бродіння, яку викликають живі клітини мікроорганізмів, була доведена Луї Пастером. Пізніше (1897 р.) Едуард Бухнер встановив, що бродіння має місце і в безклітинному середовищі - сік зруйнованих дріжджових клітин - біохімічним шля­хом. За своє відкриття в 1907 р. він одержав Нобелівську премію з хімії.

На перших стадіях бродіння або окислення вуглеводів з'яв­ляється піровиноградна кислота (піруват), яка залежно від умов, а також особливостей мікроорганізму перетворюється в різні сполу­ки. Шляхів її одержання багато. В анаеробних умовах піровиноградна кислота перетворюється в спирт, молочну, масляну кислоти та інші продукти. В аеробних умовах вона окислюється до оцтової, лимон­ної або іншої органічної кислоти, а при повному окисленні з'являються діоксид вуглецю і води. Таким чином, процес бродіння прохо­дить дві фази: 1) в початковій або загальній фазі, яка проходить в анаеробних умовах, глюкоза розщеплюється до піровиноградної кис­лоти; 2) кінцева фаза залежить від умов культивування та особли­востей мікроорганізму; при цьому утворюються різні продукти.

Перетворення органічних речовин супроводжується виділен­ням енергії, яка акумулюється в процесі фотосинтезу, що частково у вигляді тепла використовується мікробною клітиною або виділяєть­ся в навколишнє середовище. Між бродінням і диханням багато спільного, але при диханні окислення речовин іде до кінця - до ут­ворення діоксиду вуглецю і води, у той час як продукти бродіння вміщують ще багато енергії.

2. Процеси бродіння, їх види

Залежно від переважного накопичення при бродінні тих чи інших продуктів розрізнюють спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, маслянокисле, оцтовокисле, лимоннокисле бродіння та ін.

Процеси бродіння проходять з використанням в основному вуглеводів (крохмалю, цукрів), але деколи вихідною сировиною можуть бути спирти, органічні кислоти і навіть білки.

Анаеробні процеси бродіння

Спиртове бродіння. Являє собою ряд послідовних окисно-віднов­них та інших біохімічних процесів, в результаті яких утворюються ети­ловий спирт (основний продукт), вуглекислий газ, інші речовини.

С_вН₁₂0₆2С₂Н₅ОН₊2С0₂. (6)

Основний збудник спиртового бродіння - дріжджі. Вони рос­туть в кислому середовищі при рН 4,0-4,5. У промисловості вико­ристовують культурні дріжджі. Застосування культурних дріжджів прискорює процеси бродіння, вино може бути одержано кращої якості та смаку, з меншою кількістю побічних продуктів.

Молочнокисле бродіння: гомоферментативне і гетерофермен-тативне. Збудники типового молочнокислого бродіння (гомофермен-тативного бродіння) розщеплюють гексозу з утворенням двох мо­лекул молочної кислоти:

С,Н₁₂0₆2С₃Н₆О, (7)

АС = -197 кДж/моль. Це кінцевий продукт процесу, який з'являється з проміжних:

2С₃Н₄О₃+2Н₂-+2С₃Н₆О₃ (8)

Тема 5. Патогенні мікроорганізми

ПЛАН

1. Потенційно патогенні мікроорганізми як збудники захворювань.

2. Інфекція та імунітет.

3. Санітарно-показникові мікроорганізми.

1. Потенційно патогенні мікроорганізми як збудники захворювань

Вважають, що непатогенні форми мікробів - сапрофіти - жили й розвивалися на рештках рослин, тварин, у воді, у ґрунті та повітрі. Далі, можливо, з'явились такі істоти, що для своєї життєдіяльності використо­вували речовини живого організму. Використання поживних речовин мак­роорганізму та виділення в нього продуктів життєдіяльності інших жи­вих систем призводили до порушення рівноваги природної системи або до патології.

Інфекція - це комплекс біологічних процесів, що виникають у результаті проникнення патогенних мікробів у макроорганізм. Взає­мовідносини між макро- та мікроорганізмом динамічні. Велика роль у цих взаємовідношеннях зовнішнього середовища та інших факторів.

У виникненні та розвитку інфекційного процесу - взаємодії між макро- і мікроорганізмом, що призводить до порушення гомеостазу (відносна динамічна сталість складу та фізіологічних функцій внут­рішнього середовища). Виникнення інфекцій в основному залежить від таких факторів:

а) ступеня патогенності мікроорганізму;

б) імунологічного стану мікроба;

в) умов зовнішнього середовища;

Патогенність - видова ознака мікроба, потенційна здатність при дійсних умовах викликати характерне для нього інфекційне зах­ворювання.

Мікроб не викликає хворобу, коли він не має ознак вірулентності.

Вірулентність - індивідуальна ознака окремого штаму, міра його патогенності. Вона проявляється в здатності мікроба проника­ти в органи і тканини, розмножуватися у них, виробляти речовини, що пригнічує захисні сили макроорганізму.

2. Інфекція та імунітет

Інфекція починається після проникнення збудника в макроор­ганізм. Вона являє собою динамічний процес. Він складається з декількох періодів.

Період від вселення мікроба до появлення клінічних ознак на­зивають інкубаційним. У цей час проходить адаптація мікроорганіз­му до нового середовища, виділення ним продуктів життєдіяльності, пригнічення захисних сил та порушення фізіологічних процесів у макроорганізмі. Він проходить без видимих клінічних ознак і може продовжуватися від декількох годин до декількох місяців. Так, при сибірській виразці інкубаційний період не перевищує 14 діб, але частіше буває більш коротким (1-3 доби), при ящурі ознаки хворо­би можуть з'явитися через 11 діб і т. ін.

Тривалість інкубаційного періоду залежить від кількості збуд­ників, його вірулентності та захисних сил макроорганізму.

Імунітет - склад­ний комплекс фізіологічних пристосувань, які зберігають відносну стійкість внутрішнього середовища та захищають організм від про­никнення в нього живих тіл та речовин, що мають ознаки генетичної сторонньої інформації.

Спочатку таке пристосування визначилось як інфекційний іму­нітет або несприятливість до інфекційних хвороб.

Імунітет може бути інфекційним та неінфекційним. Інфекційний, у свою чергу, поділяють на спадковий (видовий) та набутий.

Спадковий імунітет у сукупності з умовами навколишнього се­редовища обумовлюється генетичною стійкістю до різних факторів: механічного, фізичного, біологічного.

Набутий імунітет - результат проникнення до організму генетично сторонніх речовин (мікробів, токсинів, тканин), проти яких виробляються специфічні захисні реакції (імуноглобуліни).

3. Санітарно-показникові мікроорганізми

Санітарно-гігієнічну оцінку харчових продуктів здійснюють на основі комплексу продуктів: органолептичних, фізико-хімічних, мікро­біологічних та інших.

Для вирішення питання про добру якість харчового продукту велике значення мають мікробіологічні показники, а саме ступінь та характер засівання продукту. У діючих стандартах тимчасових тех­нічних умов, санітарних правилах та інструкціях для багатьох про­дуктів вказані додаткові кількості непатогенних (сапрофітних) бак­терій. Патогенні мікроби не додаються.

піровиноградна молочна кислота кислота

Збудниками нетипового молочнокислого бродіння (гетерофер-ментативного бродіння) є молочнокислі стрептококи. До них нале­жать такі, що крім молочної утворюють леткі кислоти, ароматичні речовини, діоксид вуглецю. Деякі з них мають здатність зброджува­ти лимонну кислоту.

Пропіоновокисле бродіння. Завдяки наявності специфічних ферментів пропіоновокислі бактерії, на відміну від попередніх, можуть розкладати, крім цукрів, піровиноградну кислоту, гліцерин, молочну кислоту.

ЗС₃Н₆О₃ 2С₃Н₆0₂ + СН₃СООН + СО₂ + Н₂О (9)

молочна пропіонова оцтова діоксид вода

кислота кислота кислота вуглецю

Кінцевими продуктами пропіоновокислого бродіння є пропіо­нова та оцтова кислота, а також діоксид вуглецю і вода.

Маслянокисле бродіння – складний біохімічний процес пере­творення вуглеводів - спиртів або різних кислот у масляну кислоту. У результаті маслянокислого бродіння утворюється масляна кисло­та, діоксид вуглецю, водень і виділяється енергія:

С_еН₁₂О₆+СН₃СН₂СН₂СООН  2СО₂ + 2Н₂ (10)

цукор масляна кислота

G = - 6ЗкДж/моль.

Збудники маслянокислого бродіння є фіксаторами атмосфер­ного азоту. Типовими є клостридії.

3. Роль біохімічних процесів у перетворенні речовин у природі, зміна якостей харчових продуктів під час зберігання та використання

Різноманітні біохімічні процеси (окислення та бродіння) широ­ко використовують у різних галузях промисловості: виробництві спиртних напоїв, хлібопекарській справі, а також палива для дви­гунів внутрішнього згоряння.

Етиловий спирт С₂Н₆ОН одержують з різноманітної сировини, яку поділяють на три основні групи:

а) ті, що містять цукор (цукровий буряк, кормова патока, або меляса, тростинний цукор, фруктовий сік).

б) ті, що містять крохмаль (картопля, земляна груша, кукуруд­за, овес та ін.).

в) ті, що містять целюлозу (деревина, сульфатні луги).

Основний збудник спиртового бродіння – дріжджі. За структу­рою накопичення дріжджової маси їх поділяють на пилоподібні та пластівчасті. Пилоподібні використовують для виробництва спирту, пластівчасті – у виробництві вина та пива, а також спиртних напоїв.

У хлібопекарському виробництві дріжджі використовують для розпушування тіста. З кожного кілограма збродженого цукру утво­рюється 255 л діоксиду вуглецю (СО₂). При випіканні об'єм газу збільшується, в результаті чого тісто розпушується та хліб стає по­ристим.

На сьогодні етиловий спирт - етанол - використовують як пер­спективне паливо. Мікробіологічне виробництво біоетанолу нала­годжено в Японії, Німеччині, Франції, Швеції та інших країнах. Біо-етанол має ряд переваг над бензином: не забруднює навколишнє середовище, має велике октанове число, високий енергетичний ефект. Етанол не тільки паливо, згодом він прийде на зміну нафто­хімічним продуктам.

Контрольні питання

1. На яких мікробіологічних принципах засноване зберігання харчових продуктів?

2. Що таке спиртове бродіння (збудники, хімізм)? Кінцеві і побічні продукти.

3. Що таке молочнокисле бродіння? Використання молочно­кислих бактерій в різних галузях народного господарства.

4. Які мікроорганізми викликають спиртове бродіння?

5. Охарактеризуйте технологічні процеси з мікробіологічної точки зору (виробництва етилового спирту, виноградного вина, пива, квасу).

6. Які дріжджі використовуються при випіканні хліба? Суть цього технологічного процесу.

7. Основні збудники молочнокислого бродіння.

Виявлення патогенних мікробів в субстратах (воді, ґрунті, хар­чових продуктах) часто пов'язане з великими труднощами. Тому присутність цих мікроорганізмів встановлюють побічним шляхом - за виявленням забруднення досліджуваних об'єктів виділення (ек­скрементами) людини та тварин. Індикатором такого забруднення об'єктів має наявність в них санітарно-показникових мікробів.

Санітарно-показникові мікроорганізми є постійними мешканця­ми поверхні тіла людини та тварин. Разом з виділеннями організму вони надходять у зовнішнє середовище та протягом певного часу зберігаються в ньому життєздатними, оскільки разом з ними мають виділятися й патогенні мікроби, як наслідок, виділення санітарно-показникових мікроорганізмів, що специфічні для даного виділен­ня, вказує на можливість виявлення окремих патогенних мікробів.

У визначенні збудників кишкових інфекцій (дизентерії, черев­ного тифу, паратифу), природно, роль таких індикаторів належить представникам нормальної мікрофлори кишечнику. Серед маси разнорідних мікробів, які містяться в товстих кишках у великій кількості (сотні мільйонів на 1 г), знаходиться кишкова паличка, стрептококи та стафілококи. Наявність у дослідних об'єктах цих бактерій слугує показником їх забруднення кишковими виділення­ми та свідчить тим самим про можливе забруднення організму ба­цилоносіями зовнішнього середовища.

Санітарно-гігієнічна характеристика харчового продукту потре­бує не тільки встановлення кишкової палички, а також кількості мікробів. Чим вона більша, тим імовірніша присутність в об'єкті па­тогенних бактерій колітифозної групи. При цьому визначають титр кишкової палички (колі-титр)та індекс кишкової палички (колі-індекс). Під титром кишкової палички розуміють найменшу кількість (об'єм, масу) досліджуваного матеріалу, в якому визначена кишкова палич­ка. Колі-індексом називають число кишкових паличок, що знаходять­ся в одиниці об'єму (маси) досліджуваного матеріалу.

Для визначення кишкової палички найчастіше застосовують бродильний метод, який ґрунтується на здатності кишкової палички зброджувати глюкозу, лактозу та маніт з одержання кислот та газу при температурі вирощування 43-44°С.

Бродіння може бути виражене таким сумарним рівнянням:

2С₆Н₁₂О₆= СН₃СНОНСООН + СООНСН₂СН₂СООН + глюкоза молочна к-та бурштинова к-та

+ СН₃СООН + СН₃СН₂ОН + СО₂+ Н₂ оцтова к-та етиловий спирт

Як один з проміжних продуктів одержується мурашина кисло­та, яка потім розщеплюється на вуглекислий газ та водень.

При необхідності виявлення окремих різновидів бактерій гру­пи колі проводять засівання на різноманітні деференційно діагнос­тичні середовища (наприклад, середовище Ендо, Симонса та ін.).

За здатністю розщеплювати ті чи інші речовини субстратів і характером росту на них бактерії відрізняються одні від інших.

З метою підвищення надійності контролю якості харчових про­дуктів багато дослідників пропонують проводити комплексну бакте­ріологічну оцінку за рядом санітарно-показникових мікроорганізмів, що включають інших представників нормальної кишкової мікро­флори людини - ентерококів, для деяких продуктів - сальмонел.

Санітарно-показникове значення має і загальна обсіменінність досліджуваного об'єкта мікроорганізмами, його «мікробне число». Чим воно вище, тим вище імовірність попадання в об'єкт потенцій­но небезпечних для людини мікроорганізмів. Цей показник має важ­ливе значення для обстеження посуду, столового прибору, рук, а також готових харчових продуктів, особливо коли перевіряють пра­вильність термічної обробки або умов зберігання.

Контрольні питання

1. Дати пояснення понять-вірулентність, патогенність, токсиногенність.

2. Як класифікують токсини за характером дії?

3. Чим відрізняються поняття - природжений імунітет від набутого, активний імунітет від пасивного?

4. Характер дії сироваток і вакцин, галузі їх використання.

5. Охарактеризувати основні відмінності між інфекцією та отруєнням.

6. Види харчових інфекцій, характеристика збудників.

7. Харчові інтоксикації й токсиноінфекції, їх характеристи­ка. Навести приклади.

8. Профілактика харчових інфекцій та харчових отруєнь.

9. Патогенні мікроорганізми: види, їх характеристики, галузі застосування.

10. Поняття колі-титр і колі-індекс.