Тема 6. Биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами, их значение в природе и практическое использование.

Микроорганизмы обладают исключительно высокой биохимической активностью, поэтому разнообразные вещества, входящие в состав пищевых продуктов и различных материалов (белки, углеводы, жиры и др.) сравнительно легко поддаются их воздействию. Микроорганизмы вызывают сложные превращения различ­ных минеральных и органических веществ - соединений серы, фосфора, железа, азота, углерода и других элементов. В про­цессе своей жизнедеятельности микробы непрерывно синтези­руют одни соединения и расщепляют другие, получая при этом нужные для клетки химические вещества и энергию.

Превращения веществ под влиянием микробов происходят повсюду в природе как в аэробных, так и в анаэробных усло­виях. Многие из этих превращений имеют важное биологическое и народнохозяйственное значение.

При гнилостном бактериальном разложении в природе растительных и животных остатков содержащаяся в них сера обычно освобождается в виде сероводорода. Сероводород образуется также в результате восстановления серной, серни­стой и серноватистой кислот под действием особых десульфофицирующих бактерий. Оба эти процесса приводят к накопле­нию в почве и водоемах ядовитого для живых организмов сероводорода, что приводит к их гибели. Образование и накопление сероводорода иногда наблюдается в озерах и лиманах, а воды Черного моря на глу­бине более 200 м настолько насыщены сероводородом, что ядовиты для живых организмов.

Поэтому окисление сероводорода, в результате которого он утрачивает ядовитые свойства, а сера, входящая в его состав, получает удобную для усвоения форму сернокислых солей, имеет очень важное значение. Такое окисление сероводорода постоян­но происходит в природе под действием серобактерий.

Многообразные превращения соединений фосфора сво­дятся в основном к двум процессам: к расщеплению фосфоро­содержащих органических соединений до образования мине­ральных веществ и к переводу труднорастворимых фосфорно­кислых солей в легкорастворимые. Оба процесса происходят под влиянием различных микроорганизмов и играют большую роль в обогащении почвы фосфором и усвоении его растениями.

Широко распространены в природе превращения соединений железа, заключающиеся в переходе в результате окисления закисных солей этого элемента в окисные соединения под влия­нием железобактерий.

Среди превращений соединений азота, вызываемых мик­робами, важнейшее место принадлежит процессам расщепления различных белковых веществ и мочевины, нитрификации, денитрификации и фиксации атмосферного азота.

Разложение белковых веществ (гниение) - явление, широко распространенное в природе. Поскольку изменения белков под действием микроорганизмов имеют особое значение для пище­вой микробиологии, о них более подробно будет сказано от­дельно.

Азотсодержащее вещество мочевина СО(МНа)2 является конечным продуктом распада белкового обмена в организме многих животных и человека. В моче человека содержится до 2,4% мочевины и в сутки ее выделяется с мочой около 30 г.

Население и животный мир земли ежегодно дают многие миллионы тонн мочевины, причем почти 50% этого вещества составляет азот, совершенно необходимый растениям и живот­ным. Однако ни растения, ни животные не усваивают азот в форме мочевины. Огромное количество ее накапливалось бы в природе, если бы она не подвергалась разложению под дей­ствием особых аэробных бактерий - уробактерий. С помощью фермента уреазы эти бактерии разлагают мочевину с образова­нием аммиака и углекислого газа.

Распад органических азотистых веществ (в том числе и бел­ков) до полной их минерализации с образованием аммиака называется аммонификацией.

Накапливающийся таким путем в форме аммонийных солей аммиак под влиянием особых бактерий может подвергаться дальнейшему превращению - нитрификации.

Нитрификацией называется процесс окисления аммиака (или солей аммония) в азотнокислые соли (нитраты). Возбудителями этого процесса, открытого в 1887 г. С. Н. Виноградским, являются нитрифицирующие бактерии.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и в природных водах, они играют важную роль в обогащении почвы азотистыми веществами, необходимыми для питания растений.

Денитрификация означает восстановление солей азот­ной кислоты (нитратов) до молекулярного азота.

Нитраты, образующиеся в почве, используются для питания не только растениями, но и денитрифицирующими бактериями. Денитрифицирующие бактерии широко распространены в почве, навозе, в природных водах и т. д. Так как эти бактерии для своего питания используют нитраты, нужные растениям, и переводят их в не усвояемый растениями молекулярный азот, то деятельность денитрифицирующих бактерий может нанести большой ущерб плодородию почвы, особенно при плохой ее аэрации. Аэрация (насыщение воздухом) почвы в результате вспашки препятствует денитрификации ее бактериями, посколь­ку этот процесс протекает только в анаэробных условиях.

Способность денитрифицирующих бактерий восстанавливать нитраты до нитритов используется в пищевой промышленности при изготовлении некоторых мясных товаров, например, колбас. Для придания им устойчивой розово-красной окраски к сырью добавляют нитрат (селитру). Под действием бактерий он вос­станавливается до нитрита, а последний, соединяясь с миоглобином (красящим веществом) мяса, придает ему розово-крас­ную окраску.

Фиксация атмосферного азота означает связыва­ние атмосферного азота некоторыми микроорганизмами. Умень­шение связанного азота в почве вследствие жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий может в большей или меньшей степени возмещаться азотфиксирующими микроорганизмами, способными связывать (фиксировать) атмосферный азот, соеди­няя его с другими элементами. К числу таких микроорганизмов относятся некоторые водоросли и бактерии. Они играют боль­шую роль в пополнении азотистых запасов почвы и повышении урожайности сельскохозяйственных культур.

Превращения соединений углерода, не содержащих азота, протекают в природе повсюду. Особое место среди этих превращений принадлежит различным бродильным процессам, многие из которых имеют важнейшее значение для технической микробиологии.

Брожением называется расщепление углеводов, спиртов, органических кислот под влиянием микроорганизмов. Среди бродильных процессов различают истинное брожение, протекаю­щее в анаэробных условиях, и окислительные процессы, которые проходят в аэробных условиях и получили название - окисли­тельные брожения.

К числу превращений безазотистых органических соединений относится также разрушение жира и жирных кислот. Среди многочисленных и сложных процессов, протекающих в природе под влиянием микробов, встречаются такие, которые имеют большое практическое значение в деятельности человека.

С точки зрения пищевой микробиологии особого внимания заслуживают различные виды брожения, разрушение жиров и гнилостные процессы.

Брожение -процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе брожения в результате сопряженных окислительно-восстановительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов, и образуются химические соединения, которые микроорганизмы используют для биосинтеза аминокислот, белков, органических кислот, жиров и др. компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты брожения. В зависимости от их характера различают брожения спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое и др. виды. Характер брожения, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление брожения зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых брожение протекает (pH, аэрация, субстрат и др.).