Контрольні питання

1.    Форми й типи мінливості мікроорганізмів.

2.    Хімічний склад бактеріальної клітини.

3.    Що таке тургор, плазмоліз і деплазмоліз клітини?

4.    Характеристика механізмів надходження поживних речовин у клітину.

5.     Розподіл бактерій за типом живлення.

6.     Типи дихання мікроорганізмів

7.     Що таке явище термогенеза і умови, що сприяють йому?

8.    Ферменти , класифікація , будова, властивості та їх роль у життєдіяльності мікроорганізмів.

9.     Розподіл мікроорганізмів по відношенню до температури.

10.     Що таке стерилізація, пастеризація і яке їх практичне застосування?

11.     На чому заснований посол харчових продуктів?

12.     Що таке дезинфекція?

13.     Симбіотичні і антагоністичні відносини між мікробами.

РОЗДІЛ 4. ПЕРЕТВОРЕННЯ МІКРООРГАНІЗМАМИ БЕЗАЗОТИСТИХ РЕЧОВИН

Анаеробне розкладання (бродіння) безазотистих речовин

Вуглець є одним з найважливіших елементів органічного життя і входить в органічні речовини. Хоча ці речовини на земній поверхні складають дуже малу величину по відношенню до загальної маси землі, вони відіграють дуже важливу роль в природних процесах, оскільки містять величезні запаси прихованої сонячної енергії, накопиченої зеленими рослинами.

Всі зелені рослини синтезують органічні речовини (білки, вуглеводи, жири) з мінеральних, використовуючи енергію сонячного світла. Так, зелені рослини перетворюють променисту енергію сонця в приховану енергію хімічних сполук.

Основним джерелом вуглецю для рослин служить вуглекислий газ (С0 ₂ ). У повітрі міститься приблизно 0,03 об'ємних відсотка С0 ₂ .

Повітря поповнюється вуглекислим газом при вулканічних виверженнях, спалюванні палива, а також в результаті дихання людей, тварин і рослин.

Однак цієї кількості С0 ₂ було б недостатньо для розвитку рослин, якби в природі не відбувався зворотний процес, при якому вуглець органічних сполук повертається в повітря у вигляді вуглекислого газу. В цьому процесі активну роль відіграють мікроорганізми. Вони мінералізують рослинні і тваринні залишки, і С0 ₂ знову виділяється в атмосферу (рис. 19).

До біохімічних процесів розпаду безазотистих сполук, що викликаються мікроорганізмами, відносяться спиртове, молочнокисле, маслянокисле бродіння і інші види розкладання органічних речовин.

Спиртове бродіння. Спиртовим бродінням називається процес розкладання цукру під дією мікроорганізмів на етиловий спирт і вуглекислий газ по сумарному рівнянню:

С₆Н₁₂О₆=2СН₃СН₂ОН+2СО₂+113400 Дж

Збудниками спиртового бродіння є дріжджі, а також мукорові гриби. Поряд з етиловим спиртом і вуглекислим газом при спиртовому бродінні утворюються побічні продукти, такі, як гліцерин і сивушне масло, суміш бутилового, ізобутилового, амілового, ізоамілового та інших спиртів. Їх виникнення пов'язане з розкладанням амінокислот, які використовуються дріжджами як джерело азоту.

Спирт відокремлюють від сусла перегонкою, а потім очищують шляхом фракційної дистиляції.

При необхідності збільшення виходу сивушних масел для використання в техніці в бродильний субстрат додають відповідні амінокислоти. При підлужуванні середовища вуглекислими або борнокислими солями натрію, калію або вуглекислого амонію в результаті бродіння отримують, крім етилового спирту, оцтову кислоту і гліцерин. На одну молекулу спирту приходиться одна молекула оцтової кислоти і дві молекули гліцерину.

Рис.19. Кругообіг вуглецю.

Більшість дріжджів здатна зброджувати моносахариди (глюкозу, фруктозу) і дисахариди (сахарозу, мальтозу).

Найбільш підходяща концентрація цукру в середовищі для більшості дріжджів 10-15%; концентрація менше 10 % несприятлива для бродіння, а при концентрації 30-35% цукру воно зупиняється.

Нормальне бродіння протікає у кислому середовищі (рН 4,0-4,5). Найбільш швидко цей процес йде при температурі біля 30⁰С, при 50⁰С бродіння зупиняється.

На спиртовому бродінні засновано виробництво спирту та гліцерину, вина та пива. Його використовують також у хлібопеченні. Накопичений в процесі бродіння спирт надає шкідливу дію на дріжджі. В більшості випадків бродіння припиняється при 12-16% спирту (деякі раси дріжджів можуть накопичувати 17-20% спирту).

Для посилення росту дріжджів сусло спочатку аерують, а потім створюють анаеробні умови, щоб забезпечити бродіння, накопичення спирту та попередити окиснення його в оцтову кислоту, а потім у воду та вуглекислий газ.

В спиртовій промисловості, пивоварінні, а також хлібопеченні використовують різні раси дріжджів ccharomyces cerevisiae.

Для виробництва виноградних вин застосовують різноманітні раси винних дріжджів виду Saccharomyces ipsoides (Saccharomyces - vini). Селекцією рас цих дріжджів вдається створювати нові сорти вин, підвищувати якість і міцність.

При виробництві пшеничного хліба використовують пресовані дріжджі різних рас. Спирт і вуглекислий газ, що утворюються при бродінні, розпушують тісто, а побічні продукти надають хлібу своєрідний і аромат.

Нині етиловий спирт отримують головним чином з побічних продуктів крекінга нафти. лй й спосіб виробництва етилового спирту зброджуванням дріжджами різних вуглеводів залишається різноманітних вуглеців залишається ще важливою галуззю промисловості.

Молочнокисле бродіння. При цьому виді бродіння молочнокислі бактерії розщеплюють молекулу цукру на дві молекули молочної кислоти:

С₆Н₁₂О₆=2СН₃СНОНСООН+ 756 000 Дж.

Проміжними продуктами бродіння є піровиноградна кислота і водень.

За характером бродіння розрізняють дві групи молочнокислих бактерій.

Гомоферментативні (Типові) бактерії перетворюють приблизно 90% лактози в молочну кислоту з нікчемним змістом побічних продуктів - вуглекислого газу або оцтової кислоти.

Гетероферментативні (Нетипові) бактерії утворюють приблизно 59% молочної кислоти і поряд з нею 25% оцтової кислоти і етилового спирту і 25% вуглекислого газу.

Типові збудники молочнокислого бродіння представлені коковими або паличкоподібними формами. Всі ці бактерії гетеротрофи, нерухомі, не утворюють спор, грампозитивні, факультативні анаероби. Більшість паличкоподібних бактерій утворюють молочної кислоти більше, ніж кокові форми.

До гомоферментативних молочнокислих бактерій належать наступні.

Молочнокислий стрептокок (Streptococcus lactis). Бактерії цього виду розташовуються попарно або короткими ланцюжками, мають розмір в поперечнику від 0,5 до 1,4 мкм (рис. 20). Оптимальна температура для їх зростання 30-35 ° С, в цих умовах молоко згортається через 10-12 год. Молочнокислий стрептокок утворює близько 0,8-1,0% молочної кислоти. Широко використовується в молочній промисловості для виготовлення кисляку, сиру, сметани, кефіру, кисловершкового масла.

Вершковий стрептокок (Streptococcus сremoris). Клітини розміром 0,6-0,7 мкм, утворюють довгі ланцюжки. Краще росте при 25 – 30⁰С. Застосовується в заквасці разом з Streptococcus lactis.

Термофільний стрептокок (Streptococcus termophilus) розвивається при 40-50 ° С. Кислоти накопичує близько 1%. Використовується для виробництва простокваши і сиру.

Болгарська паличка (Lactobacterium bulgaricum) (рис. 21). Клітини розміром 4-5 мкм, часто утворюють ланцюжки. Оптимальна температура для росту 40 - 45 ° С. У молоці накопичує 2,7-3,7% молочної кислоти. Зброджує глюкозу, лактозу, сахарозу. Ця бактерія широко поширена, типовий збудник природного скисання молока в південних районах.

Ацидофільна паличка (Lactobacterium acidophilum) (Рис. 22). Клітини довжиною 4-5 мкм. Зброджує глюкозу, сахарозу і мальтозу. Оптимальна температура для розвитку 40 ° С. В молоці накопичує 2,2% і більше молочної кислоти. Застосовується для виробництва ацидофільного молока і ацидофільної простокваші. На відміну від болгарської палички може приживатися в кишечнику людини і тварини.

Сирна паличка (Lactobacterium casei) . Клітини розміром 2-6 мкм. Зброджує глюкозу, мальтозу і сахарозу. Добре розвивається при температурі близько 30°С. Має важливе значення в сироварінні.

Дельбруковська паличка (Lactobacterium delbruckii). Довга паличка розміром 2-7 X 0,5-0,8 мкм, розташовується коротким ланцюжком або поодиноко. Оптимальна температура розвитку 45-50°С. Не ­ зброджує лактозу. Використовується при заводському способі виробництва молочної кислоти і приготуванні хлібних заквасок.

До гомоферментативних бактерій відноситься також Lactobacterium plantarum - дрібна паличкоподібна форма, яка легко, зброджує рослинні цукри, в достатку зустрічається на поверхні рослин і знаходить широке застосування при силосуванні, а також квашенні огірків і капусти.

До гетероферментативних молочнокислих бактерій відноситься широко поширена в природі кишкова паличка (Bacterium coli aerogenes) - дрібна, грамнегативна, неспороутворююча бактерія та близький до неї організм Bact, coli aerogenes. На відміну від Bact. coli Bact. coli aerogenes нерухома. При зброджуванні цукрів накопичується поряд з молочною кислотою янтарна, оцтова кислоти, етиловий спирт, вуглекислий газ і водень.

В практиці мають значення ароматоутворюючі стрептококи (Streptococcus citrovorum, Strept. diacetl lactis), які, крім кислот, створюють ароматичні речовини (діацетилефіри). Ці стрептококи використовуються при виготовленні сметани і кисловершкового масла зі специфічним ароматом.

Молочнокислі бактерії як джерело азоту використовують амінокислоти або пептони. Ці бактерії дуже вибагливі до вітамінів, особливо до вітаміну В₂ (лактофлавін). Джерелом вуглецю для них є моносахариди - (глюкоза, галактоза, левульоза), дисахариди (лактоза, сахароза, мальтоза), пентози (арабіноза), багатоатомні спирти, багатоосновні кислоти і навіть білки.   

Молочнокислі бактерії широко використовують для виготовлення кислого молока, кефіру, ацидофіліну, кумису, сметани, квасу, сирів, а також в хлібопеченні, квашенні овочів, силосуванні кормів, при виробленні хутряних шкурок та у виробництві молочної кислоти.

Пропіоновокисле бродіння. Цей тип бродіння викликають анаеробні пропіоновокислі бактерії, що являють собою короткі нерухомі, неспорові грампозитивні палички. Оптимальна температура для їх розвитку 30-35 ° С. Ці бактерії легко зброджують цукор і молочну кислоту, перетворюючи їх в пропіонову і оцтову кислоти з виділенням вуглекислого газу і води:

ЗС ₆ Н ₁₂ 0 ₆ = 4СНзСН ₂ С00Н + 2СНзС00Н + 2С0 ₂ + 2Н ₂ 0.

пропіонова оцтова вуглекис- вода

кислота кислота лий газ

Типовий представник цієї групи бактерій Bact. acidi propionici розвивається в молоці та твердих сирах. Деякі пропіоновокислі бактерії використовуються для отримання вітаміну В₁₂ в промислових масштабах.   

   Маслянокисле бродіння. Це процес перетворення вуглеводів (цукрів, крохмалю, декстрину, пектинових речовин) і спиртів (маніт, гліцерин) бактеріями в анаеробних умовах з утворенням масляної кислоти, вуглекислого газу і водню:

С₆Н₁₂О₆=СН₃СН₂СН₂СООН+2СО₂+2Н₂+100 800 Дж.

масляна кислота

Джерелом азоту для маслянокислих бактерій слугують пептони, амінокислоти, амонійні солі і навіть молекулярний азот атмосфери. Крім основних продуктів бродіння, утворюються бутиловий і етиловий спирти, ацетон і оцтова кислота.

Описано 25 видів збудників маслянокислого бродіння. Всі вони представляють собою рухливі великі, палички довжиною від 4-5 до 7-12 мкм, при утворенні спор набувають веретеноподібну форму, грампозитивні, анаероби. Часто зустрічаються в ґрунті, навозі, забрудненій воді і т. д. Найбільш відомі з них наступні:

1. Clostridium pasteurianum - типова маслянокисла бактерія, утворює масляну кислоту, вуглекислий газ та водень (рис. 23).

2. Clostridium felsineum - зброжує пектинові речовини.

3. Clostridium acetobutylicum – зброджує вуглеводи з утворенням бутилового спирту.

4. Clostridium saccharobutyricum – переводить вуглеводи в масляну кислоту та інші продукти (рис.24).

О птимальна температура для розвитку маслянокислих бактерій 30-40°С. Маслянокисле бродіння добре протікає при нейтральній реакції. Якщо воно йде в кислому середовищі, то накопичується бутиловий спирт і ацетон. Масляна кислота надає продукту неприємний смак і запах згірклого масла.

Маслянокислі бактерії чутливі до кислої реакції середовища, тому вони можуть викликати псування силосу і заквашених овочів, якщо молочна кислота накопичується дуже повільно.

Масляну кислоту широко використовують у техніці. Складні ефіри її відрізняються приємним запахом і застосовуються в якості ароматичних речовин в кондитерській і парфумерній промисловості, наприклад метиловий ефір з яблучним запахом, етиловий ефір з грушевим запахом, аміловий - з ананасовим.

Ацетонобутилове бродіння. В процесі його утворюється значно більше бутилового спирту і ацетону, ніж при маслянокислому бродінні. Бродінню піддаються моноцукри, дисахариди і крохмаль. Збудник ацетобутилового бродіння Clostridium acetobutylicum - рухома паличка розміром 3,5-5,0 мкм, анаеробна, спороутворююча, часто клітини її з'єднані попарно або в довгі ланцюжки.

У виробництві ацетобутилове бродіння ведуть на чистій культурі бактерій при температурі 37-38 ° С-в кислому середовищі. Процес триває 36-40 год.

Ацетон і бутиловий спирт широко застосовують у хімічній і лакофарбовій промисловості, при виробництві синтетичного каучуку.