- •6.051701 "Пищевые технологии и инженерия"
- •Содержание
- •Предисловие
- •Введение
- •1 Морфология и систематика микроорганизмов
- •1.1 Бактерии
- •1.1.1 Форма и размеры бактерий
- •1.1.2 Химический состав бактерий
- •1.1.3 Строение бактерий
- •1.1.4 Движение бактерий
- •1.1.5 Эндоспоры бактерий
- •1.1.6 Рост и размножение бактерий
- •1.1.7 Систематика бактерий
- •1.1.8 Характеристика прокариотов, занимающих промежуточное положение
- •1.2 Микроскопические грибы
- •2.1.1 Микромицеты
- •2.1.2 Дрожжи
- •1.3 Вирусы
- •1.3.1 Общая характеристика вирусов
- •1.3.2 Структура и химический состав вирионов
- •1.3.3 Репродукция вирусов
- •1.3.4 Культивирование вирусов
- •1.3.5 Классификация вирусов
- •1.3.6 Бактериофаги
- •1.4 Генетика микроорганизмов
- •1.4.1 Рекомбинации у бактерий
- •1.4.2 Мутации
- •1.4.3 Плазмиды бактерий
- •2 Влияние внешних факторов на микроорганизмы
- •2.1 Физические факторы
- •2.1.1 Температура
- •2.1.2 Влажность
- •2.1.3 Осмотическое давление
- •2.1.4 Гидростатическое давление
- •2.1.5 Механические сотрясения
- •2.1.6 Ультразвук
- •2.1.7 Электричество
- •2.1.8 Лучистая энергия
- •2. 2 Химические факторы
- •2.2.1 Реакция среды
- •2.2.2 Кислород
- •2.2.3 Химические вещества
- •2. 3 Биологические факторы
- •2.3.1 Симбиотические взаимоотношения
- •2.3.2 Антагонистические взаимоотношения
- •2.3.3 Антибиотики
- •2.3.4 Пробиотики
- •3 Метаболизм микроорганизмов
- •3.1 Ферменты микроорганизмов
- •3. 2 Энергетический метаболизм
- •3.2.1 Брожение
- •3.2.2 Аэробное дыхание при усвоении органических субстратов
- •3.2.3 Неполное аэробное окисление органических субстратов
- •3.2.4 Анаэробное дыхание
- •3.2.5 Использование энергии неорганических субстратов
- •3.6.6 Использование энергии света
- •3.3 Питание микроорганизмов
- •3.3.1 Источники питания
- •3.3.2 Поступление питательных веществ в клетку
- •4 Биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами
- •4.1 Превращения углеродсодержащих веществ
- •4.1.1 Спиртовое брожение
- •4.1.2 Молочнокислое брожение
- •4.1.3 Маслянокислое брожение
- •4.1.4 Уксуснокислое брожение
- •4.1.5 Образование органических кислот плесневыми грибами
- •4.2.6 Разложение микроорганизмами липидов и жирных кислот
- •4.3 Превращения азотсодержащих веществ
- •4.3.1 Аммонификация
- •6.3.2 Нитрификация
- •6.3.3 Денитрификация
- •6.3.4 Азотфиксация
- •5 Основы санитарной микробиолгии
- •5.1 Инфекция и иммунитет
- •5.1.1 Роль возбудителя в развитии инфекции
- •5.1.2 Роль макроорганизма в инфекционном процессе
- •5.1.3 Динамика инфекционного процесса
- •5.1.4 Формы проявления инфекций
- •5.1.5 Элементы эпидемического процесса
- •5.1.6 Иммунитет
- •5.2 Санитарно-показательные микроорганизмы
- •5.2.1 Основные требования к спм
- •5.2.2 Характеристика основных групп спм
- •5.2.3 Принципы санитарно-микробиологических исследований
- •5.2.4 Методы санитарно-микробиологических исследований
- •5.3 Микрофлора окружающей среды
- •5.3.1 Микрофлора воды
- •5.3.2 Микрофлора почвы
- •5.3.3 Микрофлора воздуха
- •5.4 Пищевые заболевания
- •5.4.1 Классификация пищевых заболеваний
- •5.4.2 Основные возбудители пищевых инфекций
- •5.4.3 Основные возбудители пищевых токсикоинфекций
- •5.4.4 Бактериальные токсикозы
- •5.4.5 Микотоксикозы
- •5.4.6 Болезни – общие для человека и животных
- •6 Микрофлора пищевых продуктов
- •6.1 Микрофлора продуктов растительного происхождения
- •6.1.1. Эпифитные и фитопатогенные микроорганизмы
- •6.1.2 Микрофлора зерна, муки, хлеба
- •6.1.2.4 Микрофлора теста
- •6.1.3 Микрофлора плодов и овощей
- •6.1.4 Микробиология бродильных производств
- •6.1.4.1. Промышленные дрожжи
- •6.1.4.2. Ферменты плесневых грибов
- •6.1.4.3 Микробиология спиртового производства
- •6.1.4.4 Микробиология пивоваренного производства
- •6.1.4.5 Микробиология виноделия
- •6.2 Микрофлора продуктов животного происхождения
- •6.2.1 Микрофлора молока и молочных продуктов
- •6.2.2 Микрофлора мяса и мясных продуктов
- •6.2.2.1 Микрофлора мяса
- •6.2.2.2 Микрофлора колбасных изделий
- •6.2.3 Микрофлора яиц и яичных продуктов
- •6.3 Микрофлора рыбы и морепродуктов
- •6.3.1 Микрофлора рыбы
- •6.3.2 Микрофлора пищевых рыбных продуктов
- •6.3.2 Микрофлора кормовых и технических продуктов
- •6.4 Микрофлора консервов
- •6.4.1 Микробиологические основы консервирования
- •6.4.2 Классификация консервов
- •6.4.3 Эффект стерилизации
- •6.4.4 Остаточная микрофлора консервов
- •6.4.4.1 Мезофильные бациллы
- •6.4.4.2 Мезофильные клостридии
- •6.4.4.3 Термофильные бациллы и клостридии
- •6.4.5 Оценка промышленной стерильности консервов
- •Список литературы
- •Морфология и систематика микроорганизмов
- •Метаболизм микроорганизмов
- •Биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами
- •Микрофлора пищевых продуктов
- •Для заметок для заметок
- •98309 Г. Керчь, ул. Орджоникидзе, 82
4.1.3 Маслянокислое брожение
Маслянокислое брожение – это процесс превращения бактериями в анаэробных условиях углеводов, спиртов и других органических веществ в масляную кислоту (бутират). Суммарное уравнение процесса: С6Н12О6 → СН3СН2СН2СООН + 2 СО2 + Н2 + Эн.
При этом брожении кроме масляной кислоты накапливаются побочные продукты – бутанол, этанол, ацетон, органические кислоты (уксусная, капроновая, каприловая).
При маслянокислом брожении под воздействием ферментов микроорганизмов сначала происходит гидролиз полисахаридов или других органических веществ до гексоз, затем до образования ПВК брожение идет по ЭМП-пути. Далее ПВК подвергается ферментами микроорганизмов дегидрированию, в результате чего при участии КоА образуется ацетил-КоА (СН3СО-КоА), затем происходит конденсация двух молекул ацетил-КоА с образованием ацетоацетил-КоА. В результате восстановления ацетоацетил-КоА образуется β-оксибутирил-КоА, а из него бутират (рисунок Г.3). При маслянокислм брожении на одну молекулу глюкозы образуется три молекулы АТФ (две молекулы АТФ на этапе гликолиза и одна на этапе образования масляной кислоты).
Маслянокислое брожение широко распространено в природе. Маслянокислые бактерии обитают там, где много органического вещества и нет доступа воздуха – в иловых отложениях водоемов, в почве, в скоплениях разлагающихся отбросов, в навозе, в сточных жидкостях и т.п. Развитее этих бактерий в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря симбиозу с аэробными бактериями, использующими кислород. Маслянокислое брожение играет важную роль в цепи превращений органических веществ при минерализации.
Возбудители маслянокислого брожения относятся к роду Clostridium (C.butyricum, C.saccharodutyricum, C.amylobacter). Это строгие анаэробы. Они образуют споры, отличающиеся высокой устойчивостью. По отношению к источникам азота маслянокислые бактерии весьма неприхотливы, они усваивают белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые – азот воздуха. Бактерии C.butyricum – возбудители типичного маслянокислого брожения. Это подвижные крупные грамположительные анаэробные палочки, длиной 4-12 мкм, шириной 0,5-1,5 мкм, . перитрихи, споры располагаются центрально или субтерминально. Характерным является накопление гранулезы (специфического запасного углеводного вещества) перед образованием спор. Споры могут выдерживать кипячение в течение нескольких минут. Оптимальная температура развития бактерий 30-400С (маслянокислое брожение наиболее интенсивно протекает при 350С). Оптимальная рН их развития 6,9-7,4, при рН 4,5 бактерии прекращают развитие. Они сбраживают многие углеводы и близкие к ним соединения с обильным выделением газов (СО2 и Н2). Масляная кислота бактериями не потребляется. Кроме того, C.butyricum могут сбраживать крахмал и декстрины, так как содержат амилазу, способствующую расщеплению этих соединений до простых сахаров. Бактерии C.pasteurianum по многим свойствам сходны с C.butyricum, но более кислотоустойчивые и не сбраживают крахмал. Этот вид возбудителей маслянокислого брожения описан С.Н. Виноградским как способный усваивать атмосферный азот.
В промышленности масляную кислоту получают из крахмалистого сырья (картофельное, зерновое, отходы крахмального производства), мелассы (отход сахарного производства), отходов производства молочной кислоты. Брожение ведут в присутствии мела, который нейтрализует масляную кислоту. Кислота подвергается этерификации и в виде эфиров используется в парфюмерной и кондитерской промышленности.
Маслянокислые бактерии являются опасными вредителями пищевых производств. Опасно также их развитие в производствах, связанных с использованием дрожжей, так как эти бактерии сильно угнетают дрожжи. Появление маслянокислых бактерий в молочных продуктах вызывает неприятный запах и прогорклый вкус. Эти бактерии являются причиной порчи консервов (овощных, мясных, рыбных). С ними трудно бороться, так как они встречаются на любом сырье, а споры их очень устойчивы. Технологией пищевых предприятий предусмотрены профилактические меры борьбы с маслянокислой микрофлорой, используют также антибиотик низин.
Ацетонобутаноловое брожение. В химизме брожения много общего с маслянокислым. Первые стадии этого брожения идут по типу маслянокислого. В результате маслянокислого брожения среда подкисляется, что неблагоприятно для жизнедеятельности маслянокислых бактерий. Для предотвращения дальнейшего подкисления, когда в процессе брожения рН снижается до 4,5, усиливается активность ферментов, катализирующих превращение части ацетоацетила-КоА в ацетон. Это приводит к потери одного акцептора водорода в виде ацетоацетил-КоА. Чтобы компенсировать это, в процесс включаются ферменты, восстанавливающие бутирил-КоА до бутанола. На этом этапе освобождаются две молекулы НАД+ (рисунок Г.4). Суммарное уравнение ацетонобутанолового брожения:
12С6Н12О6 → 4СН3СОСН3 + СН3(СН2)3ОН + СН3СН2СН2СООН +
+ СН3СН2ОН + 28СО2 + 18Н2 + 2Н2О + Эн.
В 1939 г. В.Н.Шапошниковым было обнаружено, что брожение имеет двухфазный характер: первая фаза кислотная, вторая – ацетонобутаноловая.
Вначале брожения происходит активный рост культуры и накопление в среде преимущественно органических кислот (масляной и уксусной). Во второй фазе рН среды снижается, рост культуры замедляется, преобладает образование нейтральных продуктов (ацетона, бутанола, этанола). Количество органических кислот может уменьшаться.
Если значение рН среды поддерживать на уровне 5,0 и выше (путем добавления мела или другими способами), то образования в большом количестве ацетона, бутанола и этанола не происходит. При низких значениях рН активизируются ферменты, катализирующие образование ацетона и бутанола. Кроме того, бутанол может частично синтезироваться из ранее образованной масляной кислоты, вновь поступающей в клетки из среды. Таким образом, в зависимости от условий брожения, т.е. подавляя какую-либо фазу брожения, можно получить усиленное накопление тех или иных продуктов.
Отличие этого брожения от маслянокислого в том, что при маслянокислом брожении накапливающиеся кислоты постепенно замедляют процесс кислотообразования и даже приостанавливают его, а при ацетонобутаноловом – образовавшиеся кислоты потребляются бактериями и превращаются в другие вещества.
Сырьем для промышленного получения ацетона и бутанола служит меласса и другое дешевое углеводсодержащее сырье. Продукты брожения применяются для нужд нитроцеллюлозной и лакокрасочной промышленности, производства фотопленок, ацетилцеллюлозы, органического стекла, в химической и фармацевтической промышленности.
Бактерии, образующие в процессе своей жизнедеятельности значительное количество ацетона и бутанола, широко распространены в природе. Они находятся в основном в почве и относятся к роду Clostridium, наиболее активным продуцентом является C.acetobutylicum. Этот вид используется в промышленности. Возбудители брожения являются строгими анаэробами. Они представляют собой грамположительные спорообразующие палочки, перитрихи, относятся к группе протеолитических клостридий, способны фиксировать молекулярный азот.
Ацетоноэтаноловое брожение представляет собой биологический процесс разложения углеводов особыми микроорганизмами с образованием ацетона и этилового спирта. В процессе брожения выделяется СО2 и водород. Суммарное уравнение брожения:
2С6Н12О6 + Н2О → СН3СОСН3 + 2СН3СН2ОН + 5СО2 + 4Н2 + Эн.
Начальные стадии брожения протекают подобно другим анаэробным брожениям. На более поздних стадиях брожение имеет свои особенности. Эти особенности были установлены Н.И.Иерусалимским. Брожение происходит в две фазы: фаза роста бактерий (кислотная) и фаза зрелости (ацетонная).
Возбудители брожения относятся к роду Clostridium. Возбудитель C.macerans выделен Шардингером в 1904 г. C.acetoethylicum - несколько позже. Возбудители ацетоноэтанолового брожения принадлежат к факультативным анаэробам. Это грамотрицательные палочки, гранулеза в клетках отсутствует, факультативные анаэробы, аминоавтотрофы, проявляют потребность к ряду биологически активных веществ, сбраживают многие углеводы и пектиновые вещества, клетчатку не гидролизуют. Оптимальная температура их развития 40-420С, первая фаза развития происходит при рН 8-9, вторая – рН 6-8. Соотношение этилового спирта и ацетона в этом брожении довольно стабильное и соответствует 2,5:1 или 3:1. Брожение широко распространено в природе (разложение остатков растений). Оно также может использоваться в промышленности для получения ацетона и этилового спирта.