uchebnik_Mikrobiologia_pischevykh_proizvodstv_1

квасного сусла применяют смешанные чистые культуры дрожжей S. cerevisiae и

молочнокислых бактерий.

Закваску из дрожжей и молочнокислых бактерий предварительно раздельно размножают на стерильном квасном сусле и затем переводят в чан, заполненный пастеризованным суслом с сахарным сиропом. Вначале в чан задают только разводку молочнокислых бактерий, а позже разводку дрожжей. В процессе брожения в квасе накапливается 0,3—0,5

% спирта. Квас охлаждают, снимают с осадка, купажируют сахарным сиропом и подают на розлив. В готовом квасе при хранении количество спирта не должно превышать 1,2 об.

%.

Помутнение и прокисание кваса могут вызвать различные виды микроорганизмов.

Дрожжи Candida krusei и С. guillermondii окисляют спирт, способствуют накапливанию органических кислот, образуют неприятный привкус. В порче кваса могут принимать участие также уксуснокислые бактерии.

1.1.2 Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение - это процесс превращения молочнокислыми бактериями

гетероферментативные, которые вызывают соответственно либо гомоферментативное,

либо гетероферментативное молочнокислое брожение. В основе этого деления лежат различия в характере образующихся продуктов, что определяется набором ферментов у молочнокислых бактерий.

Гомоферментативные молочнокислые бактерии из сахара образуют одну молочную

кислоту по следующему суммарному уравнению:

С6Н12О6 --> 2СНзСНОНСООН + 94 кДж Глюкоза Молочная кислота

Гетероферментативные молочнокислые бактерии, благодаря разнообразию имеющихся у них ферментов, из сахара образуют кроме молочной кислоты и другие продукты брожения - уксусную кислоту, этиловый спирт, углекислый газ, некоторые виды образуют еще янтарную кислоту, водород. Кроме того, среди молочнокислых бактерий имеются ароматобразующие виды, которые синтезируют ароматические вещества - диацетил и ацетон. Конечные продукты, образующиеся при гетероферментативном молочнокислом брожении, накапливаются в среде в различных количественных соотношениях, что зависит от вида бактерий, питательной среды и внешних условий. Схематически процесс

гетероферментативного молочнокислого брожения можно выразить следующим

уравнением:

2С6Н12О6 --» СНзСНОНСООН + СООНСН2СН2СООН + СНзСООН Глюкоза Молочная кислота Янтарная кислота Уксусная

кислота

+ СНзСН2ОН + СО2 + Н2 + 75 кДж Этиловый спирт

Молочнокислое брожение находит широкое применение при изготовлении кисломолочных продуктов: сливочного масла, маргарина, в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов и в производстве молочной кислоты.

Молочнокислые бактерии относятся в основном к родам Streptococcus, (шаровидная или слегка овальная форма клеток, образующих цепочки), Pediococcus (шаровидная или слегка овальная форма клеток, расположенных поодиночке, попарно или тетрадами) и

Lactobacillus (неподвижные, не образующие спор длинные или короткие палочки,

одиночные или в виде цепочек) (рис.31 а,б,в). Все молочнокислые бактерии грамположительны, факультативные анаэробы, имеются и микроаэрофилы.

Молочнокислые бактерии отличаются от других микроорганизмов чрезвычайной требовательностью к составу питательной среды - они нуждаются в полном наборе готовых аминокислот, витаминах группы В, в компонентах нуклеиновых кислот.

Высокая требовательность к питательной среде определяет распростране-ние молочнокислых бактерий в природе. Они почти никогда не встречаются в почве или в

Рис.31. Молочнокислые бактерии: а - рода Streptococcus (шаровидные); б -

рода Lactobaciilus (палочковидные); в – Pediococcus.

водоемах. Обитают в основном на растениях, плодах, овощах, с которыми попадают в желудочно-кишечный тракт и густо населяют его, в молоке и молочных продуктах, а

также в местах разложения растительных остатков. В качестве источника углерода используют лактозу (молочный сахар) или мальтозу (солодовый сахар, образующийся при гидролизе крахмала).

Молочнокислые бактерии образуют неодинаковое количество кислоты - от 1 до 3.5 %, в связи, с чем они могут развиваться при рН около 4,0. Способность молочнокислых бактерий подкислять среду используется для подавления в различных продуктах жизнедеятельности гнилостных бактерий (при квашении капусты, засоле огурцов,

мочении яблок и др.), которые предпочитают нейтральные или слабощелочные значения рН.

Среди молочнокислых бактерий есть мезофиллы - развиваются при температуре (около

30 °С) и термофилы - при температуре (40 - 50 °С).

Для получения многих кисломолочных продуктов, в том числе и сыров, используют гомоферментативные, мезофильные и термофильные молочнокислые бактерии, чистые культуры которых вносят в пастеризованное молоко. Простокваша готовится при помощи молочнокислого стрептококка (Streptococcus lactis), являющего мезофилом, ацидофилин -

на закваске, состоящей из термофильной культуры ацидофильной палочки (L. acidophilus)

имолочнокислого стрептококка (S. lactis). Кефир готовят на закваске, содержащей симбиотический комплекс из термофильных молочнокислых бактерий Lactobacillus casei

идрожжей Saccharomyces kefir, сбраживающих лактозу. Они входят в состав кефирных зерен, представляющих собой плотные комочки казеина, населенные этими микроорганизмами.

Имеются разнообразные национальные молочнокислые напитки – кумыс, мацони,

йогурт, биогурт, лебен и др., которые получают заквашиванием кобыльего, верблюжьего,

овечьего, козьего молока специфическими заквасками, содержащими термофильную болгарскую палочку (Lactobacillus bulgaricum).

Молочнокислые бактерии, вместе с пропионовокислыми участвуют в созревании сыров.

Мезофильные молочнокислый и сливочный стрептококки (S. lactis и S. cremoris) входят в состав заквасок для сметаны, творога, сливочного масла и маргарина, в последнем случае для придания аромата продуктам используются ароматообразующие виды

(гетероферментативные стрептококки - S. diacetilactis).

Гетероферментативные молочнокислые бактерии Lactobacillus brevis наряду с гомоферментативными бактериями Lactobacillus plantarum в симбиозе с дрожжами

принадлежит основная роль при изготовлении ржаного хлеба. Они разрыхляют тесто,

придают ему аромат и кисловатый вкус.

Гомоферментативные термофильные молочнокислые бактерии применяют для приготовления жидких дрожжей в хлебопечении (L. delbrueckii).

Квашение овощей (огурцов, капусты) и силосование кормов сводятся в основном к молочнокислому брожению в этих субстратах (гомоферментативные мезофилы L. plantarum).

И, наконец, гомоферментативные молочнокислые бактерии (L. delbrueckii и S.lactis)

применяют в производстве молочной кислоты, которая используется в консервной,

кондитерской промышленности, в производстве безалкогольных напитков, а также в медицине. Некоторые молочнокислые бактерии образуют антибиотик низин.

Многие мезофильные гетероферментативные палочковидные бактерии рода

Lactobacillus , шаровидные (овальной или яйцевидной формы) бактерии рода Leuconostoc

и образующие тетрады и гроздья шаровидные бактерии рода Pediococcus являются вредителями в производстве спирта, пива, вина, безалкогольных напитков, сахара и др.

Пропионовокислые бактерии родственны по ряду свойств гетероферментативным молочнокислым бактериям и часто развиваются совместно с ними.

Пропионовокислые бактерии (рис.32) - это небольшие, неподвижные палочки, слегка искривленные, не образующие спор, грамположительные, факультативные анаэробы. Они

так же, как и молочнокислые бактерии не встречаются в почве или водоемах. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных, а также в молоке.

Практическое использование пропионовокислого брожения. Оно используется в сыроделии. Вначале казеин молока подвергают коагуляции

Рис. 32. Пропионовокислые бактерии под действием сычужного фермента, выделяемого из желудка жвачных животных. Затем

сгустки отделяют от сыворотки, прессуют, выдерживают в растворе соли и оставляют для протекания процесса созревания.

В первой фазе созревания в сгустке казеина протекает молочнокислое брожение, при этом лактоза превращается в молочную кислоту. Затем наступает вторая фаза созревания сыров - пропионовокислое брожение, когда сбраживается образовавшаяся молочная кислота. В результате образуются летучие кислоты - уксусная и пропионовая, придающие сырам кисловато-острый вкус, а выделяющаяся в виде пузырьков углекислота образует

«глазки» в сыре. На больших сыродельческих предприятиях вместо самопроизвольного созревания сыра при участии естественной микрофлоры молока применяют специальные закваски, иногда с введение микроскопических грибов, например Penicillium roqueforti

(сыр сорта "Рокфор").

У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина В12, который накапливается внутри клеток. Эта их особенность используется для промышленного получения витамина B12 на отходах производства - молочной сыворотке и др. с добавлением кукурузного экстракта в качестве источника витаминов.

1.1.4.Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты,

диоксида углерода и водорода по уравнению:

С6Н12О6 --> СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н2 + 63 кДж Глюкоза Масляная кислота

Кроме основных продуктов брожения, в качестве побочных образуются бутиловый

спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.

В отличие от возбудителей рассмотренных брожений маслянокислые бактерии являются строгими анаэробами рода Clostridium. Для них молекулярный кислород - яд.

Маслянокислые бактерии (рис.33) представляют собой подвижные довольно крупные палочки, спорообразующие с центральным или латеральным расположением спор,

придавая клеткам форму веретена или теннисной ракетки.

Единственным источником энергии для маслянокислых бактерий является процесс брожения.

Возбудителем типичного маслянокислого брожения является Clostridium butiricum.

Отдельные представители маслянокислых бактерий вызывают несколько разновидностей маслянокислого брожения, общим признаком которых является большее или меньшее накопление масляной кислоты, уксусной и других органических кислот, а также бутилового и других спиртов, ацетона и некоторых газообразных продуктов - водорода,

метана, углекислоты.

Сбраживаться могут углеводы, в том числе полисахариды (крахмал, амилоза,

гранулеза, гликоген, пектиновые вещества, целлюлоза и др.), У маслянокислых бактерий имеются соответствующие ферменты - амилаза, пектиназа, целлюлаза, гидролизующие эти соединения до простых сахаров, которые затем подвергаются маслянокислому брожению. Маслянокислые бактерии могут сбраживать спирты (этиловый, маннит,

глицерин), аминокислоты (глутаминовую и др.). Близки к маслянокислым бактериям патогенные формы - возбудители тяжелого пищевого отравления - ботулизма и возбудитель столбняка. По характеру используемых субстратов маслянокйслые бактерии делят на две группы: сахаролитические клостридии, сбраживающие в основном углеводы, и протеолитические клостридии, имеющие активные протеолитические ферменты и разлагающие белки, пептоны до аминокислот, которые затем подвергаются сбраживанию.

Маслянокислые бактерии довольно крупные грамположительные, подвижные палочки с перитрихиально расположенными жгутиками, образующие очень устойчивые споры, при формировании которых клетка принимает форму веретена или теннисной ракетки. Перед образованием спор в клетках накапливается запасное крахмалоподобное вещество - полисахарид гранулеза.

Рис.33. Маслянокислые бактерии Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они обитают там, где

много органических веществ и нет доступа кислорода - в иловых отложениях водоемах, в

навозе, почве, в скоплениях разлагающихся отбро-сов, в сточной жидкости и т.п. Их развитие в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря симбиозу с аэробными бактериями, кото-рые используют кислород на собственные нужды.

Повсеместному их распро-странению способствует необыкновенно высокая устойчивость спор.

Практические значение маслянокислого брожения

В природе маслянокислым бактериям принадлежит важная роль в круговороте углерода в природе. Масляная кислота - широко распространенный продукт анаэробного разложения различных органических веществ.

Маслянокислое брожение используют в промышленности для получения масляной кислоты, которая находит широкое применение. Масляная кислота обладает резким неприятным запахом прогорклого масла. В то же время ее эфиры отличаются приятным ароматом, например, метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый - грушевый,

амиловый - ананасный. Их используют в кондитерской и парфюмерной промышленности,

а также в производстве фруктовых безалкогольных напитков. Большой ущерб наносит маслянокислое брожение в народном хозяйстве. Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов (бомбаж),

прогоркание молока, увлажнение муки и др. продуктов. Они вызывают порчу квашеных овощей при замедленном молочнокислом брожении; образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.

В производствах, основанных на жизнедеятельности дрожжей,

маслянокислые бактерии являются вредителями, так как масляная кислота отравляет дрожжи. Борьба с ними затруднительна из-за высокой устойчивости спор.

1.1.5. Ацетонобутиловое брожение

Близким к маслянокислому является ацетонобутиловое брожение, в процессе которого образуется значительно большее количество бутилового спирта и ацетона, чем при обычном маслянокислом брожении. При этом образуется также этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются диоксид углерода и водород.

Возбудителями ацетонобутилового брожения являются анаэробные подвижные спорообразующие палочковидные бактерии рода Clostridium.

В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. После отгонки из бражки ацетона и спиртов, остающийся отход – барду – используют для извлечения витамина В12. Барда может быть использована для выращивания метановых бактерий, которые синтезируют витамин В12.

Ацетон и бутиловый спирт получают и химическим синтезом.

1.1.6.Брожение пектиновых веществ

В растениях, особенно в плодах, ягодах, корнеплодах содержится много пектиновых веществ. Они входят в состав срединных пластинок и склеивают между собой растительные клетки. Пектиновые вещества – это высокомолекулярные соединения

(полисахариды). Под влиянием пектолитических ферментов микроорганизмов,

развивающихся в растительном сырье и в продуктах его переработки, происходит ступенчатый гидролиз пектиновых веществ c образованием галактуроновой и уксусной кислот, углеводов ( галактозы, ксилозы, арабинозы), метилового спирта и др. веществ.

Ферментативный гидролиз микроорганизмам энергии не дает. В анаэробных условиях они ее получают в процессе маслянокислого брожения, которому подвергаются продукты ферментативного гидролиза - арабиноза и галактоза (в анаэробных условиях происходит их полное окисление до СО2 и Н2О). Брожение протекает при участии определенных видов маслянокислых бактерий. Продуктами брожения являются масляная и уксусная кислоты, а также газы – СО2 и Н2. Разложение пектиновых веществ приводит к порче продукции, например, соленые огурцы, размягчаются или в них появляются пустоты за счет мацерации (распада на отдельные клетки) тканей огурцов при ферментативном расщеплении срединных пластинок.

В природе (воде, почве) разложение пектиновых веществ играет большую роль в круговороте углерода за счет разложения растительных остатков.

1.2. Аэробные процессы

Они осуществляются хемогетеротрофами в присутствии молекулярного кислорода, но в отличие от аэробного дыхания (полного окисления) являются процессами неполного

окисления. Часто их называют "окислительными брожениями", что совершенно неправильно, поскольку термин "брожение" вполне определенно означает окислительно-

восстановительные превращения субстрата, вызываемые микроорганизмами в анаэробных условиях, то есть при обязательном отсутствии молекулярного кислорода.

1.2.1. Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями

Этот процесс был известен человеку в глубокой древности - в оставленном на воздухе вине или пиве через некоторое время появлялась легкая муть, а на поверхности - более

или менее плотная пленка. При этом вино или пиво закисает и превращается в уксус.

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями протекает в две стадии.

Сначала образуется уксусный альдегид, который далее окисляется в уксусную кислоту.

В суммарном виде уравнение выглядит так:

Уксуснокислые бактерии (рис.5) - строгие аэробы. Они окисляют не только одноатомный этиловый спирт, но и многоатомные. Так, шестиатомный спирт сорбит они окисляют в углевод сорбозу, которая является сырьем для химического синтеза аскорбиновой кислоты.

Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют трехатомный спирт глицерин в диоксиацетон, который необходим для химической промышленности; могут окислять и глюкозу в глюконовую кислоту. Она широко применяется в фармацевтической промышленности и медицине, а также в детском питании.

Процессы окисления этих соединений служат для уксуснокислых бакте-рий единственным источником получения энергии.

Некоторые уксуснокислые бактерии могут вызывать процесс так называемого

«переокисления», («сверхокисления»), то есть дальнейшего окисления образовавшейся из спирта уксусной кислоты до СО2 до Н2О (ее полное окисление). Этот процесс представляет большую опасность в производстве уксуса.

Уксуснокислые бактерии (рис.34) в основном короткие подвижные палочки,

встречаются поодиночке, парами или цепочками, эндоспор не образуют,

Рис.34. Уксуснокислые бактерии (а); пленка уксуснокислых бактерий (б)

грамотрицательные. Они отнесены к двум родам: Gluconobacter - палочки с полярным жгутиком, окисляют глюкозу в глюконовую кислоту, способность к окислению этилового спирта в уксусную кислоту - средняя, к дальнейшему окислению уксусной кислоты неспособны, и Acetobacter - палочки со жгутиками по всей поверхности клетки,

неспособные к окислению глюкозы, энергично окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты, способны к дальнейшему окислению ее до СО2 и Н2О.

Уксуснокислые бактерии различаются размерами клеток, многие образуют пленки на поверхности среды - хрупкие тонкие или толстые хрящевидные. Пленки образуются в связи с ослизнением клеточной стенки у бактерий. В неблагоприятных условиях бактерии приобретают необычную форму - появляются раздутые, уродливые клетки, толстые длинные нити и т.п.

Уксуснокислые бактерии различаются по своей устойчивости к спирту, способности накапливать различное количество уксусной кислоты (от 4,5 % до 9-11%). Оптимальная температура для развития - около 30 0С. Они кислотоустойчивы, могут развиваться при рН около 3,0, оптимальные значения рН 5,4-6,3.

Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, обитают на цветах, на зрелых фруктах, ягодах, овощах, обнаруживаются в садовой почве; в прокисших фруктовых соках, пиве, вине, квашеных овощах.

Практическое использование уксуснокислых бактерий. Они используются для промышленного получения спиртового натурального уксуса. Его получают стружечно-

циркуляционным периодическим, стружечно-непрерывно-циркуляционным и глубинным непрерывным методами. Принцип методов заключается в создании возможно большей поверхности для окисления спирта. Производственной культурой является Acetobacter aceti.