41. Молочнокислое брожение, возбудители, химизм, конечные продукты. Использование молочнокислых бактерий при консервировании пищевых продуктов и силосовании кормов.

При молочнокислом брожении, вызываемом специфичной группой бактерий, происходит распад глюкозы до молочной кислоты. Среди побочных продуктов молочнокислого брожения отмечены ацетат, диоксид углерода, иногда и этанол.

Известны три типа брожения, вызываемого молочнокислыми бактериями:

• гомоферментативное молочнокислое брожение, при котором из глюкозы образуется только молочная кислота:

• гетероферментативное молочнокислое брожение, когда из глюкозы кроме молочной кислоты получаются этанол и диоксид углерода:

• брожение, вызываемое бифидобактериями, — бифидоброжение, при котором из глюкозы образуются ацетат и лактат:

В основе гомоферментного молочнокислого брожения лежат реакции гликолиза (пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса). Образующийся в результате пируват, однако, не подвергается декарбок- силированию до ацетальдегида, как при спиртовом брожении, а восстанавливается до лактата водородом, отщепляющимся при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата:

Бифидоброжение осуществляется по пентозофосфатному пути или по пути Энтнера—Дудорова с конечными продуктами в виде ацетата и лактата.

Нередко в сбраживаемых молочнокислыми бактериями (Streptococcus cremoris и Leuconostoc cremoris) средах накапливаются небольшие количества ацетона и диацетила — веществ, обладающих своеобразным приятным ароматом. Последний передается продуктам, в которых развиваются указанные бактерии.

Кроме глюкозы, молочнокислые бактерии сбраживают большое количество сахаров: фруктозу, галактозу, маннозу, сахарозу, лактозу, мальтозу и пентозы. При сбраживании перечисленных соединений наблюдаются некоторые отклонения от обычных схем брожения. Например, при брожении фруктозы образуются лактат, ацетат, С0₂ и маннитол.

По форме клетки молочнокислые бактерии представляют собой палочки (длинные и короткие) и кокки: они могут образовывать парные или цепочковидные скопления. Это неподвижные, не образующие спор (за исключением Sporolactobacillus inulinus) грам- положительные организмы. Молочнокислые бактерии — анаэробы, но они аэротолсрантны, т. е. могут расти при доступе кислорода.

Молочнокислые бактерии обладают высокой бродильной способностью и отличаются отсутствием большинства биосинтетических путей.

Молочнокислые бактерии требовательны к источникам азотного питания — они используют органические формы азота. Многие молочнокислые бактерии могут ассимилировать белки, хотя лучше развиваются на аминокислотах, пептидах и полипептидах. Продукты распада белковой молекулы прекрасно усваиваются этими бактериями. 

Молочнокислые бактерии развиваются в довольно широком диапазоне температур. Для большинства видов предпочтительны температуры от 7 до 42 °С при оптимуме 30—40 °С. Однако в природе встречаются формы, способные размножаться в зоне более низких (минимум 3 °С) или более высоких (максимум 57 °С) температур. Молочнокислые бактерии не образуют спор, поэтому при повышении температуры выше указанного предела быстро погибают.

Многие молочнокислые бактерии растут в диапазоне pH 5,5— 8,8, однако лучше размножаются при нейтральной реакции среды. В результате жизнедеятельности они значительно подкисляют питательную среду, поэтому приспособились к существованию в зоне довольно высокой кислотности среды. Палочковидные формы выносят более низкие значения реакции среды, чем кокковидные. Это кислотолюбивые организмы, оптимум для них обычно составляет pH 5,5— 5,8 и менее, как правило, они растут при pH 5, некоторые при pH 2,9—3,2.

Молочнокислые бактерии имеют огромное практическое значение. Их широко используют при изготовлении кисломолочных, квашеных продуктов, сыров, кислосливочного масла и т. п. Молочнокислые бактерии, встречающиеся обычно в молоке, вызывают его сквашивание. В различных климатических зонах земного шара в молоке обитают неодинаковые виды молочнокислых бактерий. Молоко в северной зоне обычно содержит Streptococcus lactis, в южной — палочковидные бактерии L. bulgaricus и др.

Ряд молочнокислых продуктов готовят, используя закваску, содержащую симбиотические комплексы микроорганизмов. Например, для приготовления кефира в молоко вносят так называемые кефирные зерна, внешне напоминающие миниатюрные головки цветной капусты. Они содержат Lactobacillus bulgaricus. Streptococcus lactis, дрожжи Saccharomyces kefiri, сбраживающие лактозу. Продуктами брожения служат молочная кислота и спирт.

Смешанное брожение лежит также в основе приготовления кумыса из кобыльего молока. В данном случае молочнокислое брожение осуществляют термофильные молочнокислые палочки, близкие к Lactobacillus bulgaricus, и дрожжи рода Torula, сбраживающие лактозу. Сбраживаемое молоко периодически взбалтывают, в результате чего казеиновый сгусток мелко дробится. Йогурт готовят внесением в пастеризованное гомогенизированное молоко чистых культур Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus, а биойогурт получают сквашиванием молока культурами Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus.

Лактобациллы — Lactobacillus plantarum и L. coryneformis — используют в хлебопечении, лактобациллы и стрептококки — при изготовлении сырокопченых колбас. Молочнокислые бактерии вызывают брожение, продуктом которого служит лактат, они снижают pH среды, тем самым предохраняя от порчи колбасы, которые по технологии не подвергаются варке (салями, сервелат и др.). Квашение овощей и силосование кормов сводятся главным образом к молочнокислому брожению субстратов.

42. Денитрификация, возбудители, ход процесса. Химическая и биологическая денитрификация. Влияние денитрификации на плодородие почвы и продуктивность минеральных и органических удобрений. Меры борьбы с денитрификацией в почве и навозе.

Денитрификация – процесс восстановления нитратов до нитритов и далее до молекулярного азота Восстановление нитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происходит в результате прямой и косвенной денитрификации. Под прямой денитрификацией подразумевают биологическое восстановление нитратов, а под косвенной — химическое их восстановление.

Восстановление нитратов, осуществляемое при биосинтезе и приводящее к образованию азотсодержащих клеточных компонентов, носит название ассимиляционной нитратредукции (микроорганизмы и растения). В процессе диссимиляционной нитратредукции, или денитрификации, нитраты используются как окислители органических веществ вместо молекулярного кислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энергией.

Денитрификация осуществляется микроорганизмами в анаэробных условиях и ингибируется кислородом воздуха. Нитраты в анаэробных условиях выполняют роль акцепторов электронов, которые поступают от окисляемых соединений — органических или неорганических. В тех случаях, когда донорами электронов служат органические соединения, денитрификацию осуществляют хемоорганогетеротрофы, а если неорганические — хемолитоавтотрофы. В процессе денит-рификации участвуют ферменты, содержащие молибден (FeS-белки —нитратредуктаза А и нитритредуктаза), локализованные на клеточных мембранах. Начальный этап восстановления нитратов при денитрификации катализуется ферментом нитратредуктазой А. Синтез данного фермента в клетках бактерий в присутствии нитрата идет только в анаэробных условиях. В аэробных условиях нитратредукта-за А не образуется.

Способностью к нитратному дыханию обладает большое число родов бактерий. Первый этап процесса — восстановление нитратов в нитриты — идет при участии разнообразных микроорганизмов, как прокариот, так и эукариот (водоросли, грибы и дрожжи). Полное восстановление нитратов до газообразных продуктов (N0,N2O, N2) могут осуществлять только прокариоты. В наибольшей степени способность к полному восстановлению нитратов распространена у представителей родов Pseudomonas (P. fluorescens, P. stutzeri, P. aeruginosa) и Bacillus (В. licheniformis и др.). К хемолитоавтотрофным бактериям-денитрификаторам отно-сят Thiobacillus denitrificans, Thiomicrospira denitrificans, Paracoccus deni-trificans. Сероокисляющие Thiobacillus denitrificans и Thiomicrospiradenitrificans способны размножаться в анаэробных условиях, используя в качестве источника энергии и восстановителя элементарную серу или тиосульфат. Нитрат восстанавливается до газообразного азота.

Денитрифицирующие бактерии — факультативно анаэробные организмы, способные восстанавливать нитраты только в анаэробных условиях. В присутствии свободного кислорода эти бактерии переходят на аэробное дыхание (обладают полной дыхательной системой), а нитраты потребляют лишь как источник азота (ассимиляционная нитратредукция). Некоторые денитрификаторы способны и к процессу азотфиксации.

В результате микробиологической денитрификации в атмосферу ежегодно поступает из почв и водоемов 270—330 млн т азота. Особенно существенен этот процесс в переувлажненных почвах, а также в тех случаях, когда минеральные азотные удобрения вносят в форме нитратов совместно с навозом или другими органическими удобрениями. Азот почвы может теряться и в результате различных химических реакций (косвенная денитрификация).

(+) Денитрификацию не следует рассматривать как процесс, всегда приводящий к отрицательным последствиям. Это один из природных процессов, который имеет большое экологическое значение в связи с тем, что он восстанавливает баланс азота в атмосфере и предохраняет водоемы от чрезмерного накопления в них нитратов, вымываемых из почв.

(-) Денитрификация, протекающая в основном в почве, дает до 70-80 % выбросов N2O (закись азота, парниковый газ) в атмосферу.