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-

Р^ода: 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:

С₆Н₁₂0_в = 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, В_ь 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.