Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Промышленная микробиология. Лабораторный практикум

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К аф едра «Технологии пищевых производств и биотехнология»

В.В. БАХАРЕВ

ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

Лабораторный практикум

Самара

Самарский государственный технический университет

2022

Печатается по решению методической комиссии кафедры «Технология

пищевых производств и биотехнология» (протокол № 6 от 30.08.2021 г.).

УДК 579.6:663.1(076.5) ББК 28.4:36.87я73 Б 30

Бахарев В.В. Промышленная микробиология: лаборат. практикум / В.В. Бахарев. –

Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2022. – 88 с.

Предназначен для формирования у студентов представлений о возможно-

стях и уровне биологических технологий; для приобретения практических навыков в области основных направлений современной промышленной микробиологии.

Ориентирован на студентов, обучающихся по направлению 19.03.01 «Био-

технология».

Р ец е н з е н т : д-р техн. наук, профессор И.А. Платонов

УДК 579.6:663.1(076.5)

ББК 28.4:36.87я73

Б 30

технический университет, 2022

ВВЕДЕНИЕ

Промышленная микробиология является одним из перспектив-

ных направлений биотехнологии, объединяющим достижения микробиологии, генетической модификации микроорганизмов, инженерной энзимологии и технологических решений по реализации промышленных биотехнологических процессов.

Центральными биообъектами промышленной микробиологии

являются микроорганизмы, клетки и ткани растений и животных – продуценты ценных веществ и ферменты, выступающие в качестве катализаторов в процессах биотрансформации. Научные достижения генетической и клеточной инженерии только тогда приносят реальную пользу обществу, когда на их основе создаются промышленные производства по получению ценных продуктов с использованием биообъектов. Поэтому основной задачей промышленной микробиологии является практическая реализация биотехнологических процессов производства ценных для общества веществ с использованием различных биообъектов.

Студенты, приступающие к изучению промышленной микробио-

логии, должны знать основы микробиологии, физиологии и метаболизма микроорганизмов, основы биохимии, процессы и аппараты биотехнологических производств. Целью лабораторного практикума является закрепление студентами теоретических знаний, полученных ими при изучении теоретического материала дисциплины «Промышленная микробиология», и формирование навыков реализации в лабораторных условиях некоторых процессов промышленной микробиологии.

Лабораторный практикум составлен на основе образовательной программы по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология» для дисциплины «Промышленная биотехнология».

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

К КОЛЛОКВИУМУ № 1

Брожение – катаболическое превращение углеводов в анаэробных условиях. Это способ получения энергии, характерный для ряда групп прокариот.

Молочнокислое брожение вызывается молочнокислыми бактериями, которые с помощью ферментов сбраживают молочный сахар (лактозу) и любой другой сахар (глюкозу, сахарозу) до молочной кислоты и других продуктов.

Образование молочной кислоты лактобактериями происходит как в естественных условиях при скисании молока и молочных продуктов, так при ее целенаправленном получении в промышленных условиях.

По характеру брожения молочнокислые бактерии делятся на две группы:

 гомоферментативные (основным продуктом брожения являет- ся молочная кислота – около 90 %);

 гетероферментативные, образующие, кроме молочной кисло- ты (около 50 %), другие продукты брожения.

Молочнокислые бактерии относятся к 4 родам: Lactobacillus,

Leuconostoc, Streptococcus и Pedicoccus. Род Lactobacillus включает 3 подрода – Thermobacterium, Streptobacterium и Betabacterium.

Среди молочных бактерий есть мезофиллы, развивающиеся при средней температуре (около 30 °С), и термофилы, развивающиеся при повышенной температуре (около 50 °С).

К характерным особенностям бактерий относят:

1) образование молочной кислоты при брожении (выдерживают

до 1,5 % молочной кислоты, некоторые даже больше);

2) высокая кислотоустойчивость (сохраняют жизнеспособность

при рН 3,5 и ниже);

3) спиртоустойчивость (выдерживают до 16 % этанола).

К другим особенностям бактерий относятся: отсутствие гема, широкое использование флавинов в окислительно-восстанови-

тельных ферментах, отсутствие ЦТК и окислительного фосфорилирования, потребность в коферменте В12 для работы рибонуклеотидредуктазы [1].

Молочнокислые бактерии относят к группе факультативных анаэробов. Однако, в отличие от бактерий семейства Enterobacteriaceae, они не содержат гемопротеинов (цитохромов и каталазы), и единственным способом синтеза АТФ у них является молочнокислое брожение. Тем не менее лактобактерии могут расти в присутствии кислорода воздуха, являясь аэротолерантными анаэробами. Лактобактерии – единственная группа бактерий, лишенных каталазы, но способных расти в присутствии кислорода воздуха. Каталаза – фермент, расщепляющий пероксид углерода, образующийся при окислении субстрата, на воду и кислород. У молочнокислых бактерий функцию каталазы выполняет пероксидаза. Отсутствие каталазной активности при способности расти в аэробных условиях является одним из диагностических тестов распознавания этой группы микроорганизмов.

Многие Lactobacillus, Leuconostoc и Pedicoccus содержат большое количество двухвалентного марганца и не содержат или почти не содержат железа. Например, типовой штамм Lactobacillus plantarum АТСС 14917 является единственным из организмов с абсолютным отсут- ствием потребности в железе. Предполагается, что роль марганца связана с аэротолерантностью и удалением кислорода и, возможно, гидроксид-ионов, образующихся в процессе метаболизма этих бактерии [1].

Для промышленного получения молочной кислоты используют только гомоферментативные молочнокислые бактерии (табл. 1).

Для получения молочной кислоты используют термофильные палочковидные штаммы видов Lactobacillus delbrueckii, Lb. bulgaricus и Lb. leichmanii, которые быстро растут и образуют много молочной кислоты за короткое время. Бактерии культивируют при 50 °С. Если используют пентозы как субстрат (например, сульфитная жидкость), то применяют соответствующие штаммы – Lb. pentosus. Для сбраживания молочной сыворотки нужны Lb. bulgaricus, Streptococcus lactis и Lb. casei. Для получения лактата из малеиновой кислоты использу- ют Lb. casei [1].

Виды молочнокислых бактерий, имеющих

Семейства

и роды

Главные

виды

Главные

продукты брожения

Lactobacilaceae

р. Lactobacillus

Гомоферментативные

Термофилы:

Lb. helveticus,

Lb. bulgaricus, Lb. lactis,

Lb. acidophilus

D(–)L(+)

DL-молочная кислота

Мезофиллы Lb. casei

р. Lactobacillus

Гетероферментативные

Lb. fermenti, Lb. brevis,

Lb. reuteri

DL-молочная кислота, CO2,

уксусная кислота, этанол

Streptococcaceae

p. Streptococcus

Гомоферментативные

Мезофиллы:

Str. lactis, Str. cremoris

L(+)-молочная кислота

Термофилы:

Str. thermophilus

L(+)-лактат

p. Pedicoccus

Мезофиллы:

Р. pentosaceum

DL-лактат

Термофилы:

Р. acidi lactici

p. Leuconostoc

Мезофиллы:

Leuc. cremoris

D(+)-молочная кислота, CO2,

уксусная кислота, этанол

наиболее важное значение для промышленности [1]

Таблица 1

Молочную кислоту можно получать из биодеградабельных лактидных полимеров, и это вызывает растущий интерес к биотехнологическому получению молочной кислоты. Известны продуценты молочной кислоты и среди грибов (например, Rhizopus oryzae), но промышленных процессов с использованием грибов нет.

Молочнокислые стрептококки (S. thermophilus, S. lactis, Leuc. cremoris) образуют исключительно L(+)-молочную кислоту. Lb. lactis и Lb. bulgaricus ~90 % D(–)- и L. helveticus – 1/3 D(–) и 2/3 L(+)-мо- лочную кислоту. Leuconostoc образуют преимущественно D(–)-молоч- ную кислоту. Получение L(+)-молочной кислоты зависит от выбора штамма, условий биосинтеза и его хранения [1].

Рис. 1. Молочнокислые бактерии:

а – Str. lactis; б – Str. thermophilics;

в – Lb. acidophilus

Характеристика молочнокислых бактерий

Наиболее важными в техническом отношении представителями гомоферментативных молочнокислых бактерий являются следующие:

1. Молочнокислый стрептококк (Streptococcus lactis) – кокки, со-

единенные попарно или короткими цепочками (рис. 1, а). Это мезофи- лы, лучше всего развивающиеся при температуре 30–35 °С; в этих условиях молоко свертывается через 10–12 ч. В среде накапливают до 1 % кислоты. Минимальная температура развития 10 °С, максимальная – от 40 до 45 °С. Некоторые расы образуют антибиотик низин [1].

2. Близкий по свойствам к Str. lactis его подвид Str. lactis subsp.

diacetilactis способен, кроме сахаров, сбраживать соли лимонной ки-

слоты с образованием ацетона и диацетила, что обусловливает ароматичность продуктов, в которых развивается этот стрептококк. Сливочный стрептококк (Str. cremoris) – сферические клетки, образую-

щие длинные цепочки. Этот мезофильный стрептококк не активный кислотообразователь. Лучше растет при 25 °С; минимальная температура развития 10 °С, максимальная – 36–38 °С. Применяется в заквасках вместе с молочнокислым стрептококком. Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин [1].

3. Термофильный стрептококк (Str. thermophilus) – длинные це-

почки кокков, хорошо развивающийся при 40–45 °С. Накапливает около 1 % кислоты. Применяется вместе с палочковидными бактериями при изготовлении ряженки, южной простокваши, варенца (рис. 1, б) [1].

4. Болгарская палочка (Lactobacillus bulgaricus) – крупные палочки

(иногда зернистые), часто образующие длинные цепочки. Не сбраживает сахарозу. Термофильная бактерия, оптимальная температура ее развития 40–45 °С, минимальная – 15–20 °С. Это активный кислотообразователь, накапливающий в молоке 2,5–3,5 % молочной кислоты. Ис- пользуется при изготовлении южной простокваши, кумыса [1].

5. Ацидофильная палочка (Lb. acidophilus) – термофильная бак-

терия (рис. 1, в). Температурный оптимум роста 37–40 °С, минимум – около 20 °С. При сквашивании в молоке накапливается до 2,2 % кислоты. Некоторые виды этой бактерии способны к слизеобразованию. Используется в производстве ацидофильных кисломолочных продуктов. Ацидофильные палочки вырабатывают антибиотические вещества, активные по отношению к возбудителям кишечных заболеваний. Из чистых культур ацидофильных бактерий изготовляют биопрепараты, применяемые в животноводстве для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний сельскохозяйственных животных. Биопрепараты добавляют в корм скоту [1].

6. Дельбрюковская палочка – зерновая термофильная палочка

(Lb. delbrueckii), которая встречается поодиночке, короткими и длин-

ными цепочками. Не сбраживает лактозу, поэтому в молоке не развивается. Оптимум температуры 45–50 °С, минимум 20 °С. Образует в субстрате до 2,5 % кислоты. Применяется в производстве молочной кислоты и хлебопечении [1].

7. Молочнокислая палочка (Lb. plantarum) – небольшие палочки,

часто сцепленные попарно или цепочкой. Температурный оптимум около 30 °С. Накапливает до 1,3 % кислоты. Это основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов [1].

Из гетероферментативных молочнокислых бактерий наиболее важными в техническом отношении являются следующие:

1. Lb. brevis – палочковидные бактерии, сбраживающие сахара

при квашении капусты и огурцов с образованием кислот (молочной и уксусной), этилового спирта и углекислого газа.

2. Leuconostoc cremoris – удлиненные кокки, которые могут быть

одиночными, парами или в виде коротких цепочек. При сбраживании лимонной кислоты образуется диацетил. Температурный оптимум

20–25 °С. Leuconostoc вводят в закваски для ароматизации продуктов.

3. Некоторые виды Leuconostoc являются активными слизеобра-

зователями. В субстратах, содержащих сахарозу, образуют много «клейкого» полисахарида декстрана. При этом субстрат приобретает густую слизистую консистенцию [1].

4. Представители гетероферментативного брожения. Капустная

палочка (Lactobacterium brassicae). Вместе с огуречной встречается в заквашенных овощах, грамположительная, сцеплена в пары и цепочки. Оптимум развития – 25 °С. В молочнокислых продуктах можно встретить и пропионовые бактерии, попадающие в молоко из почвы и с растений. Им принадлежит значительная роль при созревании сычужных сыров.

5. Кефирные дрожжи (Saccharomyces kefiri), переводящие мо-

лочный сахар (лактозу) в спирт, небольшое количество которого вырабатывается этими организмами.

6. Молочная плесень (Oidium lactis). Можно обнаружить сверху

на молочнокислых продуктах, имеет мицелий, распадающийся на четырехугольные или овальные клетки, отличающиеся сравнительно большими размерами. Окисляет молочную кислоту до углекислоты и воды, ухудшая качество скисшего молока [1].

Биохимия молочнокислого брожения

Гомоферментативное брожение осуществляют представители родов Streptococcus, Pediococcus, многих видов рода Lactobacillus, которые обитают в желудочно-кишечном тракте и молочных железах млекопитающих, а также на поверхности растений.

При гомоферментативном молочнокислом брожении (рис. 2) углеводы сначала окисляется до пирувата по гликолитическому пути, затем пируват восстанавливается до молочной кислоты НАДН+Н+ (образовавшийся на стадии гликолиза при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата) при катализе лактатдегидрогеназой. От стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы зависит, какой энантиомер молочной кислоты будет превалировать в продуктах – L, D-молочная кислота или же DL-рацемат. Продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения является молочная кислота, которая составляет не менее 90 % всех продуктов брожения. Промежуточными продуктами являются: глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, 3-фосфоглицериновый альдегид, 1,3-дифосфоглицериновая кислота, пируват [3].

В отличие от гомоферментативного брожения, при гетероферментативном брожении окисление глюкозы идет по пентозофосфатному пути. Пентозофосфатный путь состоит из 2 частей – окислительной (рис. 3) и неокислительной (рис. 4–7).

В окислительной фазе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу – рибулозо-5-фосфат и образуется восстановленный NADРН. В неокислительной фазе рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза.

Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки рибозой для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и восстановленным коферментом NАDРН, который используется в восстановительных процессах.

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]