1.2.2. Гомоферментативное молочнокислое брожение

Гомоферментативное молочнокислое брожение является единственным способом получения энергии группой молочнокислых бактерий, которые при сбраживании глюкозы образуют от 85 до 90 % молочной кислоты. Такой тип брожения вызывают молочнокислые бактерии подродов Thermobacterium и Streptobacterium. Суммарно процесс брожения можно выразить в виде следующего уравнения:

С₆Н₁₂О₆ + 2 Ф_н + 2 АДФ → 2 С₃Н₆О₃ + 2 АТФ

глюкоза лактат

Гомоферментативное молочнокислое брожение, так же как и спиртовое, протекает по фруктозодифосфатному пути до пирувата, который принимает на себя водород окисляемого субстрата и под действием фермента НАД-зависимой лактатдегидрогеназы превращается в молочную кислоту:

С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃–СО–СООН 2 CH₃–CHOH–COOH

глюкоза пируват лактатдегидрогеназа лактат

В процессе как спиртового, так и гомоферментативного молочнокислого брожения можно выделить три типа биохимических реакций:

– перестройку углеводного скелета (расщепление 6-углеродного соединения до двух 3-углеродных);

– окислительно-восстановительные превращения;

– образование АТФ.

Как видно из суммарного уравнения, с точки зрения энергетического выхода процессы спиртового и гомоферментативного молочнокислого брожения одинаковы.

1.2.3. Гетероферментативное молочнокислое брожение

Гетероферментативное молочнокислое брожение протекает по окислительному пентозофосфатному пути (рис. 1.7). При гетероферментативном молочнокислом брожении образуются органические кислоты (молочная и уксусная), этанол, СО₂, глицерин и др. Особенностями этого брожения являются участие в процессе НАДФ⁺ в качестве акцептора водорода и окислительное декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты, что приводит к образованию пентоз (рибулозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата). Образовавшиеся при расщеплении пентоз С₃- и С₂-фрагменты фосфокетолазной реакции претерпевают дальнейшие преобразования. 3-фосфоглицериновый альдегид в ходе ферментативных реакций, идентичных гликолитическому пути, превращается в молочную кислоту – лактат. Двухуглеродный фрагмент (ацетилфосфат) либо двухступенчато восстанавливается до этанола, либо окисляется до уксусной кислоты.

Преобладание в среде ферментации того или иного продукта зависит от вида культуры, условий культивирования, фазы развития. Гетероферментативные молочнокислые бактерии вида Leuconostoc mesenteroides сбраживают глюкозу с накоплением эквимолярных количеств лактата, этанола и диоксида углерода:

С₆Н₁₂О₆ → CH₃–CHOH–COOH + CH₃–CH₂OH + СО₂

глюкоза лактат этанол

У других гетероферментативных молочнокислых бактерий, главным образом из подрода бетабактерий, которые используются в хлебопечении, в значительно больших количествах накапливается уксусная кислота.

1.3. Пропионовокислые бактерии

В 1962 г. К.Е. Бартенева предложила использовать для подавления картофельной болезни хлеба пропионовокислые бактерии, являющиеся сильными антагонистами картофельной палочки.

Пропионовокислые бактерии объединены в семейство Propioni-bacteriaceae, род Propionibacterium. Типовым представителем рода является вид Propionibacterium freudenreichii (назван по имени швейцарского бактериолога Эдварда Фрейденрайха). В группу классических пропионовокислых бактерий входят также виды P. jensenii, P. thoenii, P. acidipropionici.

Пропионовокислые бактерии представляют собой мелкие полиморфные палочки размером (1,0–5,0)(0,5–0,8) мкм. Форма клеток бывает кокковидной, булавовидной, разветвленной. Клетки располагаются чаще всего одиночно, иногда парами, в виде китайских иероглифов или букв V или Y. Пропионовокислые бактерии грамположительны, неподвижны, не образуют спор и капсул. Некоторые штаммы могут образовывать внеклеточную слизь, однако она не формируется в виде четкой капсулы.

Большинство пропионовокислых бактерий являются аэротолерантными анаэробами, получающими энергию в процессе брожения. Аэротолерантность этих бактерий обусловлена наличием у них ферментов, защищающих клетку от токсических форм кислорода: каталазы, пероксидазы и супероксиддисмутазы. Пропионовокислые бактерии могут синтезировать гемсодержащие белки, в их клетках обнаружены цитохромы. Важную роль в метаболизме пропионовокислых бактерий играет так называемое «флавиновое дыхание», в процессе которого происходит перенос двух электронов с флавопротеидов на молекулярный кислород, сопровождающийся образованием пероксида водорода. Однако энергетическая эффективность окислительного фосфорилирования у этих бактерий крайне низка, и основным способом получения энергии у них является пропионовокислое брожение.

Пропионовокислые бактерии обитают в кишечном тракте жвачных животных, встречаются в молоке, твердых сырах, силосе, забродивших маслинах.

Пропионовокислые бактерии расщепляют глюкозу по гликолитическому пути до пирувата с последующим образованием пропионовой и уксусной кислот и диоксида углерода согласно суммарному уравнению

3 С₆Н₁₂О₆ 4 СН₃ –СН₂–СООН + 2 СН₃–СООН + 2 СО₂ + 2 Н₂О

глюкоза пропионовая уксусная кислота кислота

Особенностью пропионовокислого брожения является реакция присоединения к молекуле пирувата диоксида углерода, что приводит к образованию 4-углеродного соединения, т. е. С₃ + С₁ = С₄. В реакции карбоксилирования пирувата участвует биотинзависимый фермент, у которого биотин выполняет функцию переносчика СО₂ (рис. 1.8).

Последовательность реакций, показанных на рис. 1.8, приводит к образованию пропионовой кислоты. Однако пропионовокислое брожение – процесс более сложный, так как, помимо пропионовой кислоты, продуктами брожения являются уксусная, янтарная кислоты и диоксид углерода. Из схемы брожения видно, что янтарная кислота является промежуточным продуктом, но она может накапливаться в среде и как конечный продукт.

Кроме основных продуктов, в культуральной жидкости пропионовых бактерий накапливаются вторичные метаболиты – молочная, муравьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бактерий, состава среды и условий культивирования.

Накапливающиеся в процессе пропионовокислого брожения продукты формируют определенный вкус и запах хлебобулочных изделий.