Аэробные процессы

К окислительным (аэробным) процессам относят вызываемые микроорганизмами биохимические процессы, протекающие с участием кислорода воздуха.

Большинство аэробных микроорганизмов окисляют органические вещества в процессе дыхания до углекислого газа и воды. Однако некоторые окисляют их частично, в результате чего в среде накапливаются не вполне окисленные органические соединения.

Поскольку эти продукты окисления сходны с образующимися при брожениях, некоторые процессы неполного окисления условно называют окислительными брожениями.

УКСУСНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Уксуснокислое брожение – это окисление бактериями этилового спирта в уксусную кислоту:

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, при этом вина (пиво) 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:

Возбудители уксуснокислого брожения.Уксуснокислые бактерии представляют собой грамотрицательные, палочковидные, бесспоровые, строго аэробные организмы. Среди них есть подвижные и неподвижные бактерии. Они кислотоустойчивы и некоторые могут развиваться при рН среды около 3,0; оптимальное значение рН 5,4–6,3.

Уксуснокислые бактерии отнесены к двум родам: Glucono-bacterium – палочки с полярными жгутиками, неспособные окислять уксусную кислоту, и Acetobacter – перитрихи, окисляющие уксусную кислоту до углекислого газа и воды.

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 б % уксусной кислоты, A. aceti subsp. orleanensis – до 9,5, a A. aceti subsp. xylinum – до 4,5 %. A. aceti выдерживают довольно высокую концентрацию спирта – до 9–11 %, a A. aceti subsp. xylinum – лишь 5–7 % ·

Оптимальная температура роста для уксуснокислых бактерий около 30 °С. Некоторые из них способны синтезировать витамины Βι, Вг и В₁₂, 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. pasteurianus характерна сухая морщинистая пленка, для A. aceti subsp. xylinum – мощная хря-щевидная пленка, в состав которой входит клетчатка. Некоторые бактерии образуют лишь островки пленки на поверхности жидкости или кольцо около стенок сосуда. Появление пленок связано с ослизнением клеточных оболочек.

Этим бактериям свойственна изменчивость формы клеток. В неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают

необычную форму – толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки (рис. 31).

Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе. Они встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.

Практическое значение уксуснокислого брожения.На уксуснокислом брожении основано промышленное получение уксуса для пищевых целей.

Процесс ведут в специальных башневидных чанах (генераторах), внутри которых неплотно заложены буковые стружки. В верхней части генератора имеется приспособление для равномерного орошения стружек перерабатываемым

спиртсодержащим субстратом. Исходным сырьем служит уксусноспиртовой раствор с питательными (для бактерий) солями или разбавленное подкисленное вино. Подкисление субстрата необходимо для того, чтобы предотвратить развитие вредителей производства – пленчатых дрожжей и слизеобразую-щих непроизводственных видов уксуснокислых бактерий, которые могут попасть извне. Производственной культурой чаще служит A. aceti. В стенках генератора имеются отверстия для засасывания (или вдувания) воздуха. Чем лучше аэрация, тем активнее протекает процесс брожения.

По мере протекания субстрата по стружкам уксуснокислые бактерии, обильно заселяющие стружки, окисляют спирт в уксусную кислоту, и в нижней части аппарата накапливается готовый уксус, который периодически сливают через сифонное устройство генератора. Заряженный генератор работает непрерывно в течение многих месяцев, если культура бакте!-рий не загрязнится посторонними вредными микроорганизмами.

Уксуснокислые бактерии могут при недостатке спирта окислять уксусную кислоту до углекислого газа и воды. Этот процесс называется переокислением, он опасен для производства.

В генераторах ив готовом уксусе часто разводятся уг-рицы – мелкие (длиной 1–2 мм) черви, которые питаются уксусными бактериями. Уксус становится мутным, приобретает неприятный привкус. Уксус очищается от них пастеризацией с последующей фильтрацией.

Рис. 31. Пленка уксуснокислых бактерий

В настоящее время процесс производства уксуса стали, вести «глубинным» способом в герметично закрытых аппаратах, в которых спиртсодержащий субстрат с введенными в него уксуснокислыми бактериями аэрируется и перемешивается непрерывно подаваемым в аппарат воздухом. Этот метод имеет ряд преимуществ: меньше требуется производственных площадей, процесс автоматизирован и протекает значительно быстрее, исключена инфекция извне:

Самопроизвольное развитие уксуснокислых бактерий в вине, пиве, квасе, безалкогольных напитках и других продуктах приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению).

Окисление других спиртов и сахара уксуснокислыми бактериями.Уксуснокислые бактерии могут окислять и другие одноатомные спирты, например пропиловый спирт в пропионовую кислоту, бутиловый – в масляную. Метиловый спирт и одноатомные высшие спирты эти бактерии не окисляют.

Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют глюкозу в глюконовую кислоту:

Превращение глюкозы в глюконовую кислоту известно как глюконовокислое брожение. Глюконовая кислота применяется в медицине, ветеринарии и в фармацевтической промышленности. Кроме уксуснокислых бактерий, глюконовую кислоту в глюкозосодержащих субстратах образуют некоторые флуоресцирующие бактерии (например, Pseudomonas fluores-cens) и некоторые плесневые грибы из родов Aspergillus и Penicillium, которые также используют в промышленности.

Интенсивность образования глюконовой кислоты зависит от состава сбраживаемого субстрата, интенсивности аэрации, штамма гриба и др.

Особый интерес представляет окисление некоторыми уксуснокислыми бактериями многоатомных спиртов в кетоспирты или кетосахара. Эти процессы и вызывающие их бактерии называют кетогенными. В промышленности используют окисление шестиатомного спирта сорбита в сорбозу:

Сорбоза применяется при синтезе аскорбиновой кислоты (витамина С).

Имеет значение также окисление уксуснокислыми бактериями глицерина в диоксиацетон, являющийся ценным продуктом для химической промышленности:

ЛИМОННОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Плесени в процессе дыхания также нередко окисляют углеводы, но недо углекислого газа иводы, поэтому в среде

накапливаются продукты неполного окисления – различные органические кислоты (щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная и др.).

Образование грибами лимонной кислоты применяется в промышленности.

Лимоннокислым брожением называется окисление глюкозы грибами в лимонную кислоту. Конечный результат брожения можно представить следующим суммарным уравнением:

Химизм образования лимонной кислоты из сахара до настоящего времени окончательно не установлен. Большинство исследователей считает, что это брожение до образования пи-ровиноградной кислоты протекает, как и другие виды брожения. Далее превращение пировиноградной кислоты в лимонную сходно с ее образованием в цикле Кребса (см. с. 68).

Технические приемы биохимического получения лимонной кислоты в СССР были разработаны В. С. Буткевичем и С. П. Костычевым.

Возбудителем брожения является гриб Aspergillus niger.

Основным сырьем служит меласса – черная патока. Раствор ее, содержащий около 15 % сахара, в который добавляют необходимые для гриба питательные вещества (различные минеральные соли), стерилизуют и наливают невысоким (8–12 см) слоем в плоские открытые сосуды-кюветы и засевают спорами гриба. Кюветы помещают в растильные камеры, которые хорошо аэрируются. Процесс продолжается б– 8 дней при температуре около 30 °С. Гриб развивается на поверхности сбраживаемой жидкости. Выход лимонной кислоты достигает 60–70 % израсходованного сахара. По окончании брожения раствор из-под пленки гриба сливают. Лимонную кислоту выделяют из раствора и подвергают очистке и кристаллизации. При отсутствии в растворе сахара эта кислота может быть окислена грибом до более простых продуктов – щавелевой и уксусной кислот, углекислого газа и воды.

Описанный поверхностный метод (гриб развивается на поверхности сбраживаемого субстрата) получения лимонной кислоты заменяется в настоящее время глубинным методом, при котором предварительно выращенный (в виде гранул) мицелий гриба вносят в сбраживаемую жидкость, помещенную в герметично закрывающийся танк (ферментатор). В период брожения жидкость в танке непрерывно аэрируют и перемешивают стерильным воздухом. Этот способ повышает производительность труда, позволяет избежать заражения сбраживаемого субстрата посторонними микроорганизмами, процесс легче автоматизировать и механизировать.

Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, в кулинарной практике и медицине.

РАЗЛОЖЕНИЕ КЛЕТЧАТКИ И ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

Разложение клетчатки и пектиновых веществ в аэробных условиях происходит под действием микроорганизмов, которые имеют пектолитические ферменты и целлюлазу. Сначала микроорганизмы гидролизуют клетчатку и пектиновые вещества, а затем окисляют продукты гидролиза до углекислого газа и воды. Такой способностью обладают многие грибы и некоторые бактерии (цитофаги, некоторые миксобактерии и актиномицеты, см. с. 21).

Аэробное разложение клетчатки и пектиновых веществ широко распространено в природе и имеет огромное значение в процессах минерализации растительных остатков. Однако целлюлозо- и пектинразлагающие микроорганизмы могут значительно снизить качество различных промышленных материалов, содержащих клетчатку, а также растительного пищевого сырья (плодов, овощей). Гидролиз пектиновых веществ приводит к разрыхлению мякоти плодов и овощей, вплоть до распада тканей (появляется мокрая гниль), а гидролиз клетчатки – к разрушению стенок клеток мякоти и внедрению в них микроорганизмов.

РАЗРУШЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

В древесине находится главным образом клетчатка (до 50– 55%), инкрустированная лигнином, содержание которого доходит до 30%. Кроме клетчатки и лигнина, в древесине имеется до 15 % гемицеллюлозы и некоторое количество смолистых и других веществ. Сухая древесина стойка и может длительно сохраняться без изменения, но во влажном состоянии она сравнительно легко поражается различными грибами, преимущественно трутовыми, относящимися к базидиальным грибам (см. с. 35).

Все трутовые грибы обладают экзоферментом целлюлазой и вызывают деструктивное разрушение древесины, при этом она крошится, темнеет, растрескивается.

Некоторые трутовики обладают, кроме того, ферментами, воздействующими на лигнин. Они вызывают коррозионное разрушение древесины, которая при этом размягчается, становится волокнистой.

Продукты ферментативного разрушения древесины являются для грибов источником питания и энергии.

Наиболее активными, поражающими заготовительную древесину в складских помещениях и обработанную, используемую в постройках, а также тару являются грибы семейств пориевых и кониофоровых. Из последних особо опасен настоящий домовый гриб (Serpula lacrymans). Борьба с ними основана на применении мероприятий профилактического характера и обработке антисептиками.

РАЗЛОЖЕНИЕ ЖИРОВ И ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Под действием различных физико-химических факторов внешней среды, а также микроорганизмов жиры могут подвергаться значительным изменениям.

Воздействие микроорганизмов на жир начинается обычно с гидролиза его под влиянием ферментов липаз на глицерин и свободные жирные кислоты. Жирные кислоты накапливаются в субстрате, поэтому нередко о снижении качества жира судят по изменению его «кислотного числа» –- показателю содержания свободных жирных кислот. Продукты гидролиза подвергаются превращениям. Глицерин используется многими микроорганизмами и может быть полностью окислен до углекислого газа и воды. Жирные кислоты разрушаются медленнее, но и они, в первую очередь ненасыщенные, постепенно окисляются.

Некоторые микроорганизмы, помимо липолитических ферментов (липаз), обладают окислительным ферментом липокси-геназой, катализирующей процесс окисления кислородом воздуха некоторых ненасыщенных жирных кислот. В результате образуются перекиси жирных кислот, легко подвергающиеся дальнейшему окислению с образованием различных промежуточных продуктов – оксикислот, альдегидов, кетонов и других, придающих жиру специфические неприятные вкус (прогорклость) и запах.

Промежуточные продукты окисления жира и жирных кислот в свою очередь могут быть использованы микроорганизмами в процессах их метаболизма и в конечном счете превратиться в углекислый газ и воду.

Возбудителями процессов разложения жира и жирных кислот являются различные бактерии, многие плесени, некоторые дрожжи и актиномицеты. Из бактерий очень активны бактерии рода Pseudomonas, особенно флуоресцирующие (продуцирующие пигменты). Из плесеней значительной липолитической активностью обладают Oidium lactis, Cladosporium herbarum, многие виды Aspergillus и Penicillium.

Порча пищевых жиров и жира, содержащегося в различных продуктах (рыбных, молочных, крупяных и др.), очень распространена и нередко наносит большой ущерб народному хозяйству.

Многие жирорасщепляющие микроорганизмы являются пси-хротрофами, способными развиваться при низких положительных температурах.

При длительном хранении жиров в условиях, не допускающих развитие микробов, порча жира может быть результатом химических процессов под влиянием света, кислорода воздуха.

Разложение жиров микроорганизмами в природных условиях (в почве, в воде) происходит постоянно и имеет большое значение в общемкруговороте веществ в природе.