Типи бродіння

Одержання енергії - необхідна передумова для життєдіяльності клітин. З трьох принципово можливих способів регенерації АТФ (дихання, бродіння і фотосинтез) бродіння - найбільш простий.

Процеси анаеробного розкладу речовин називаються бродінням. Бродіння - це такий метаболічний процес, при якому регенерується АТФ, а продукти розщеплювання органічного субстрату можуть служити одночасно і донорами, і акцепторами водню.

Оскільки перші живі організми з’явились на Землі тоді, коли її атмосфера ще не містила кисню, анаеробний розпад глюкози слід вважати найбільш давнім з біологічних механізмів, призначених для вилучення енергії з органічних харчових речовин.

Реакції, що приводять до фосфорилювання AДФ, є реакціями окислення. Від окисленого вуглецю клітини позбавляються, виділяючи С0₂.

Окремим етапом окислення є дегідрування, при якому водень переноситься на НАД. Акцепторами водню, що знаходиться у складі НАДН₂, служать проміжні продукти розщеплення субстрату. При регенерації НАД останні відновлюються, а продукти відновлення виводяться з клітин.

При зброджуванні вуглеводів і ряду інших речовин утворюються (окремо або в суміші) такі продукти, як етанол, лактат, пропіонат, форміат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандіол, ацетон, 2-пропанол, С0₂ і Н₂.

Залежно від того, які продукти переважають або є особливо характерними, розрізняють спиртне, молочнокисле, пропіоновокисле, мурашинокисле, маслянокисле і оцтовокисле бродіння.

Молекулярний кисень в процесах бродіння не бере участь: «Бродіння - це життя без повітря» (Л. Пастер). Багато мікроорганізмів, що здійснюють бродіння, - облігатні анаероби, а деякі - факультативні анаероби, які здатні рости як у присутності кисню, так і без нього; при цьому кисень пригнічує бродіння і воно змінюється диханням.

МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОДІННЯ

Молочнокислі бактерії об'єднують у сімейство Lactobacillaceae. Всі вони використовують як джерело енергії вуглеводи і виділяють молочну кислоту.

На відміну від Enterobacteriaceae, які теж створюють лактат, молочнокислі бактерії здатні лише до бродіння; вони не містять гемопротеїнів (таких, як цитохроми і каталаза). Не дивлячись на це, Lactobacteriaceae можуть рости у присутності кисню повітря; будучи анаеробами, вони все ж аеротолерантні. Якщо яка-небудь бактерія росте в аеробних умовах, але не утворює каталазу, її з великою вірогідністю можна віднести до молочнокислих бактерій.

Молочнокислі бактерії - це свого роду «метаболічні інваліди», які, ймовірно в результаті своєї спеціалізації (зростання в молоці і інших середовищах, багатих живильними і ростовими речовинами), втратили здатність до синтезу багатьох метаболітів.

З іншого боку, багато з них мають здатність, якої немає у більшості інших мікроорганізмів; вони можуть використовувати молочний сахар (лактозу). У цьому вони схожі з багатьма кишковими бактеріями (наприклад, Escherichia coli).

Лактоза в рослинному царстві, мабуть, не зустрічається; вона утворюється у ссавців, виділяється з молоком і відповідно з ним же поглинається.

Таким чином, здатність використовувати лактозу можна вважати пристосуванням до середовища, характерного для кишковика ссавців. Лактоза - дисахарид, який, перш ніж вступити на шлях катаболізму гексоз, має бути розщеплений:

Галактозидаза

Лактоза + Н₂0  D-Галактоза + D-Глюкоза

Галактоза після фосфорилювання перетворюється на глюкозофосфат.

Залежно від того, які продукти утворюються при зброджуванні глюкози - тільки молочна кислота або також інші органічні продукти і С0₂, - молочнокислі бактерії прийнято підрозділяти на гомоферментативні і гетероферментативні (таблиця. 8.2).

Гомоферментативне молочнокисле бродіння.

Гомоферментативні молочнокислі бактерії утворюють практично тільки одну молочну кислоту (вона складає не менше 90% всіх продуктів бродіння). Катаболізм глюкози відбувається у них за фруктозодисфосфатним шляхом (бактерії мають всі необхідні для цього ферменти, включаючи альдолазу), а водень, що відщеплюється при дегідруванні гліцеральдегід-3-фосфату, передається на піруват:

Від стереоспецифічності лактатдегідрогенази і від наявності лактатрацемази залежить, який продукт утворюється - D(-)-, L(+)- або DL-молочна кислота. Лише невелика частина пірувату декарбоксилюється, перетворюючись на оцтову кислоту, етанол і С0₂, а також в ацетоїн (3-гідрокси-2-бутанон; ацетилметилкарбінол – СН₃СОСН(ОН)СН₃). Кількість побічних продуктів, що утворюються, залежить від доступу кисню.

Молочнокислі бактерії здійснюють процес утворення молочної кислоти з метою вивільнення енергії. Проте цим бактеріям також необхідні конструктивний матеріал та відновлені дегідрогенази. По відношенню до відновлених дегідрогеназ в процесі молочнокислого бродіння утворені відновлені дегідрогенази використовуються в цьому ж процесі на відновлення ПВК.

Для того щоб відновлені дегідрогенази використовувалися на конструктивні потреби, процес молочнокислого бродіння повинен йти не до кінця, і тоді частина вуглеводів може витрачатися на синтез біомаси. Для задоволення конструктивних потреб процес розкладу глюкози в анаеробних умовах за схемою молочнокислого бродінняповинен йти лише до стадії утворення ПВК, яка далі перетворюється на необхідні метаболіти. При цьому відновлені дегідрогенази витрачаються не на відновлення ПВК, а на конструктивні потреби організму.

Гетероферментативне молочнокисле бродіння.

У гетероферментативних молочнокислих бактерій немає головних ферментів фруктозодифосфатного шляху - альдолази і тріозофосфатізомерази.

На початку перетворення глюкози йде у них виключно за пентозофосфатним шляхом, тобто через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат і рибулозо-5-фосфат (див. рис. ).

Рибулозо-5-фосфат під дією епімерази перетворюється на ксилулозо-5-фосфат, який в результаті тіамінпірофосфатзалежної реакції, яку каталізує пентозофосфокетолаза, розщеплюється з утворенням гліцеральдегідфосфату і ацетил фосфату.

Гліцеральдегід-3-фосфат звичайним фруктозодифосфатним шляхом (гліколітичним) через піровиноградну кислоту перетворюється в молочну кислоту, а ацетил фосфат залежно від умов культивування та типу молочнокислої бактерії може перетворюватися у різні побічні продукти: етанол, оцтову кислоту і СО₂.

Клітини Leuconostoc mesenteroides, що не ростуть, зброджують глюкозу майже стехіометрично згідно з рівнянням:

с₆н₁₂о₆ -> сн₃-снон-соон + сн₃-сн₂он + со₂

у лактат, етанол і двоокис вуглецю.

Таким чином, у цих бактерій ацетилфосфат відновлюється через ацетил-КоА і оцтовий альдегід в етанол.

Інші гетероферментативні молочнокислі бактерії переводять ацетилфосфат частково або повністю в оцтову кислоту, що супроводжується перенесенням високоенергетичного фосфатного зв'язку на AДФ з утворенням АТФ.

Надлишок водню передається в цьому випадку глюкозі, з якої утворюється манітол (D-маніт C₆H₁₄O₆).

Рибозу Leuconostoc mesenteroides зброджує в лактат і ацетат.

При зброджуванні фруктози гетероферментативними бактеріями утворюються лактат, ацетат, С0₂ і манітол:

3 Фруктоза -> Лактат + Ацетат + С0₂ + Манітол

Фруктоза при цьому служить акцептором надлишкових відновлювальних еквівалентів:

Фруктоза + NADH₂ -> Манітол + NAD

Lactobacillus plantarum (pentosus або arabinosus) зброджує глюкозу за гомоферментативним шляхом, а пентози розщеплює за допомогою фосфокетолази, перетворюючи на лактат і ацетат.

Слід зазначити, що навіть така типова гомоферментативна бактерія, як Lactobacillus casei, хоча і зброджує глюкозу за гомоферментативним шляхом, але рибозу перетворює на ацетат і лактат гетероферментативним шляхом. Рибоза індукує у неї синтез фосфокетолази. Якщо клітини, що виросли на середовищі з рибозою, відмити, то після цього вони і глюкозу зброджуватимуть як гетероферментативні бактерії.

Бродіння, здійснюване Bifidobacterium bifidum.

Гетероферментативна молочнокисла бактерія B. bifidum отримала цю назву за свою V- або Y-подібну форму (лат. bifidus - роздвоєний). Вона відома тим, що переважає в кишечнику немовлят, особливо дітей, що вигодовуються грудьми.

Цю залежність її поширення від способу годування немовляти можна пов'язати з потребою бактерії у вуглеводах, що містять N-ацетилглюкозамін, які є лише в молоці людини, але не корови.

Всі представники роду Bifidobacterium - строгі анаероби; вони не переносять присутності кисню, і для їх зростання потрібна атмосфера, що містить 10% С0₂.

З тих пір, як сталі відомі ці незвичайні для молочнокислих бактерій особливості, біфідобактерії були виявлені і в кишковій флорі дорослих людей, і в багатьох інших місцях, навіть в гниючому мулі, і тепер розрізняють багато видів цього роду.

Біфідобактерії розщеплюють глюкозу згідно рівнянню

2С₆Н₁₂0₆ -> 2СН₃–СНОН-СООН + 3СН₃-СООН

тобто зброджують її по фосфокетолазному побічному шляху. Вони не мають ні альдолази, ні глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, але містять активні фосфокетолази, розщеплюючі фруктозо-6-фосфат і ксилулозо-5-фосфат на ацетилфосфат і еритрозо-4-фосфат або глицеральдегид-3-фосфат.

Використання молочнокислих бактерій в домашньому господарстві, сільському господарстві і для приготування харчових продуктів.

Якщо нестерильний розчин, що містить разом з цукрами також складні джерела азоту і фактори росту, залишити без доступу повітря або просто налити в посудину чималу кількість такого розчину, то незабаром в нім з'являться молочнокислі бактерії. Вони знижують рН до значень менше 5 і тим самим пригнічують ріст інших анаеробних бактерій, які не можуть розвиватися в настільки кислому середовищі.

Завдяки своїй стерилізуючій і консервуючій дії, основаній на підкисленні середовища, молочнокислі бактерії використовуються в сільському і домашньому господарстві і в молочній промисловості.

Приготування силосу. Молочнокислі бактерії, що мешкають на рослинах, грають велику роль при запасанні кормів для худоби. Для приготування силосу використовують листя цукрового буряка, кукурудзу, картоплю, трави і люцерну. Рослинну масу пресують і додають до неї мелясу, аби підвищити відношення C/N, і мурашину або яку-небудь неорганічну кислоту, аби заздалегідь забезпечити переважне зростання лактобацил і стрептококів. У таких умовах відбувається контрольоване молочнокисле бродіння.

Приготування кислої капусти. Кисла капуста теж є продуктом, в приготуванні якого беруть участь молочнокислі бактерії. У дрібно нарізаною, посипаною сіллю (2-3%) і спресованій білокачанній капусті при виключенні доступу повітря починається спонтанне молочнокисле бродіння, в якому бере участь спочатку Leuconostoc (з утворенням С0₂), а пізніше Lactobacillus plantarum.

Молочні продукти. Молочнокислі бактерії, що створюють кислоту і надають продуктам певний смак, знаходять широке використання в молочній промисловості.

Стерилізоване або пастеризоване молоко або ж вершки зброджують, додаючи як закваску чисті («стартові») культури молочнокислих бактерій.

Кисломолочне масло готують з вершків, сквашених за допомогою Streptococcus lactis, S. cremoris і Leuconostoc cremoris. Диацетил, що утворюється в процесі бродіння, додає маслу специфічний аромат.

Закваски, що містять Streptococcus lactis або Lactobacillus bulgaricus і Streptococcus thermophilus, викликають згортання казеїну при приготуванні сиру (творог) і німецьких сирів (гарцського і майнцського). При виготовленні твердих сирів (на відміну від сирів з кислого молока) для згортання казеїну користуються сичужним ферментом. Молочнокислі бактерії (Lactobacillus casei, Streptococcus lactis) разом з пропіоновокислими беруть участь лише на стадії дозрівання сирів.

Для приготування молочнокислих продуктів (таблиця. 8.3) як закваски теж використовуються стартові культури молочнокислих бактерій, що створюють кислоту і деякі речовини, що надають продукту характерний запах.

Ароматне пахтаньє отримують за допомогою згаданих вище заквасок, що використовують для приготування кисломолочного масла. Пахтаньє разом з молочною кислотою містить також оцтову кислоту, ацетоїн і диацетил.

Йогурт отримують з пастеризованого гомогенізованого цілісного молока, інокульованого Streptococcus thermophilus і Lactobacillus bulgaricus (після внесення закваски молоко витримують 2-3 год. при 43-45°С).

Під назвою біогурт у продаж надходить кисле молоко, сквашене Lactobacillus acidophilus і Streptococcus thermophilus.

Кефір належить до молочнокислих продуктів, що містять кислоти і етанол; його отримують з молока (коров'ячого, овечого або козиного). Закваску готують на так званих кефірних зернах, які складаються з поки що не повністю вивченого співтовариства організмів, що включає лактобацили, стрептококи, мікрококи і дріжджі. Квашення молока ведуть при 15-22°С протягом 24-36 год.

Для приготування кумису використовують осляче молоко, яке инокулируют культурою, Lactobacillus, що містить, bulgaricus і дріжджі роду Torula.

Чисту молочну кислоту, яка використовується для різних промислових цілей і як добавка до харчових продуктів, отримують в результаті бродіння. Молоко або сироватку зброджують за допомогою lactobacillus casei або L. bulgaricus.

Для зброджування глюкози і мальтози застосовують L. delbruckii, L. leichmannii або Sporolactobacillus inulinus. Джерелом необхідних факторів росту служать меляса і солод.

Утворення кислоти в кислому тісті, що використовується для його підйому, теж забезпечується молочнокислими бактеріями, зокрема Lactobacillus plantarum і L. coryneformis.

Стартові культури лактобацил і мікрококів застосовуються також для приготування сирокопчених ковбас (салямі, сервелат). Утворюючи молочну кислоту і знижуючи рН, молочнокислі бактерії оберігають від псування ті види ковбас, які не піддаються варінню.