Молочнокисле бродіння і сімейство lactobacillaceae - типи бродіння - загальна мікробіологія - статті

Молочнокисле бродіння і сімейство Lactobacillaceae

Молочнокислі бактерії об'єднують на цю справу. Lactobacillaceae. Хоча ця група морфологічно гетерогенна (включає довгі і короткі палички, а також коки), в фізіологічному відношенні її можна охарактеризувати досить добре. Всі пов'язані з нею бактерії грамположительни, не утворюють спор (за винятком Sporolactobacillus inulinus) і в переважній більшості і без листя. Всі вони використовують як джерело енергії вуглеводи і виділяють молочну кислоту. На відміну від Enterobacteriaceae. теж утворюють лактат, молочнокислі бактерії здатні тільки до бродіння; вони не містять гемопротеинов (таких, як цитохроми і каталаза). Незважаючи на це, Lactobacteriaceae можуть рости в присутності кисню повітря; будучи анаеробами, вони все ж аеротолерантнимі. Якщо яка-небудь бактерія росте в аеробних умовах, але не утворює каталазу, її з великою ймовірністю можна віднести до молочнокислим бактеріям.

Потреба в факторах росту. Ще одна відмінна ознака молочнокислих бактерій - це їх потреба в ростових речовинах. Жоден представник цієї групи не може рости на середовищі з глюкозою і солями амонію. Більшість потребує низки вітамінів (лактофлавін, тіаміні, пантотенової, нікотинової та фолієвої кислотах, біотин) і амінокислот, а також в пуринів і піримідинів. Культіві-ють ці бактерії переважно на складних середовищах, що містять відносно велику кількість дріжджового екстракту, томатного соку, молочної сироватки та навіть крові. Несподіваним виявилося те, що деякі молочнокислі бактерії (і інші організми, які здійснюють бродіння) при зростанні на середовищах, що містять кров, утворюють цитохроми і навіть, можливо, здатні здійснювати фосфорилювання в дихальному ланцюзі. Молочнокислі бактерії не можуть, отже, синтезувати порфірини; якщо ж порфіріни додані в живильне середовище, то деякі з цих бактерій здатні утворити відповідні гемінових пігменти.

Таким чином, молочнокислі бактерії - це свого роду «метаболічні інваліди», які, ймовірно в результаті своєї спеціалізації (зростання в молоці та інших середовищах, багатих поживними і ростовими речовинами), втратили здатність до синтезу багатьох метаболітів. З іншого боку, багато хто з них мають здатність, якої немає у більшості інших мікроорганізмів; вони можуть використовувати молочний цукор (лактозу). У цьому вони схожі з багатьма кишковими бактеріями (наприклад, Escherichia coli). Лактоза в рослинному царстві, мабуть, не зустрічається; вона утворюється у ссавців, виокрем-ляется з молоком і відповідно з ним же поглинається. Таким чином, здатність використовувати лактозу можна вважати пристосуванням до середовища, характерною для кишечника ссавців. Лактоза - дисахарид, який, перш ніж вступити на шлях катаболізму гексоз, повинен бути розщеплений:

Лактоза + Н2 0 ^ галактозидазу ^ 0 -глюкоза + D-Галактоза

Галактоза після фосфорилювання перетворюється в глюкозофосфат.

У зв'язку з утворенням великих кількостей молочної кислоти живильне середовище для молочнокислих бактерій повинна бути добре забуферена. Найчастіше з цією метою додають карбонат кальцію. На агаризованому середовищі з суспензією СаСО3 ( «крейдяному агарі») утворення кислоти виявляється за прозорими ореолам навколо колоній.

Поширення і місця проживання. Поширення молочнокислих бактерій в природі визначається їх складними потребами в поживних речовинах і способом отримання енергії (тільки бродіння). Ці бактерії майже ніколи не виявляються в грунті або водоймах. У природних умовах вони зустрічаються:

а) в молоці, місцях його переробки і молочних продуктах

(Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. helveticus, L. casei, L. fermentum, L. brevis; Streptococcus lactis, S. diacetilactis);

б) на рослинах і на що розкладаються рослинних рештках (Lactobacillus plantarum, L. delbriickii, L. fermentum, L. brevis; Streptococcus lactis; Leuconostoc mesenteroides);

в) в кишечнику і на слизових оболонках людини і тварин

(Lactobacillus acidophilus; Bifidobacterium; Streptococcus faecalis, S. salivarius, S. bovis, S. pyogenes, S. pneumoniae).

Streptococcus faecalis - звичайний мешканець кишечника людини; S. bovis поширений в травному тракті жуйних. Багато стрептококи є нешкідливими мешканцями слизових рота, дихальних і сечових шляхів, статевих органів; однак серед стрептококів є і паразити крові - досить вірулентні збудники хвороб.

Завдяки утворенню великих кількостей молочної кислоти, до якої самі вони в значній мірі толерантні, молочно кислі бактерії при відповідних умовах можуть досить швидко розмножуватися, витісняючи інші мікроорганізми. З цієї причини їх легко культивувати на елективних середовищах і легко виділяти. «Природні накопичувальні культури» цих бактерій містяться в кислому молоці і молочних продуктах, кислому тісті, кислої капусти, силосі і т.п.

Катаболізм вуглеводів і продукти бродіння. Залежно від того, які продукти утворюються при зброджуванні глюкози - тільки молочна кислота або також інші органічні продукти і СО2. - молочнокислі бактерії прийнято поділяти на гомоферментативное і гетероферментативні (табл. 8.2). Це старе розподіл відображає корінні відмінності в шляхах катаболізму цукрів.

Гомоферментативное молочнокисле бродіння. Гомоферментативное молочнокислі бактерії утворюють практично тільки одну молочну кислоту (вона становить не менше 90% всіх продуктів бродіння). Катаболізм глюкози відбувається у них по фруктозодіфосфатному шляху (бактерії володіють усіма необхідними для цього ферментами, включаючи альдолаза), а водень, відщеплюється при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфату, передається на піруват. Від стереоспеціфічность лактатдегідрогенази (а) і від наявності лактатрацемази залежить, який продукт утворюється - D (-) -, L (+) - або DL-молочна кислота. Лише невелика частина пірувату декарбоксилируется, перетворюючись в оцтову кислоту, етанол і СО2. а також в ацетоін. Кількість які виникають побічних продуктів залежить, по-видимому, від доступу кисню.

Гетероферментативних молочнокисле бродіння. У гетероферментативних молочнокислих бактерій немає головних ферментів фруктозодіфосфатного шляху - альдолази і тріозофосфатізомерази. Початкове перетворення глюкози йде у них виключно по пентозофосфатному шляху, тобто через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат і рибулозо-5-фосфат (див. рис. 7.4 і 8.2). Рибулозо-5-фосфат під дією епімерази перетворюється в ксилулозо-5-фосфат, який в результаті тіамінпірофосфат-залежною реакції, що каталізується пентозофосфокетолазой, розщеплюється з утворенням гліцеральдегідфосфата і ацетілфосфата:

Нерастущіе, відмиті клітини Leuconostoc mesenteroides зброджують глюкозу майже стехіометрично відповідно до рівняння

в лактат, етанол і діоксид вуглецю. Таким чином, у цих бактерій ацетілфосфат відновлюється через ацетил-СоА і ацетальдегід в етанол (рис. 8.2). Інші гетероферментативні молочнокислі бактерії переводять ацетілфосфат частково або повністю в оцтову кислоту, що супроводжується перенесенням високоенергетичної фосфатної зв'язку на ADP з утворенням АТР. Надлишок водню передається в цьому випадку глюкози, з якої утворюється маннитол. Гліцеральдегідфосфат через піруват перетворюється в лактат. Рибозу Leuconostoc mesenteroides зброжує в лактат і ацетат.

При зброджуванні фруктози гетероферментативних бактеріями утворюються лактат, ацетат, СО2 і манітол:

3 Фруктоза - »Лактат + Ацетат + СО2 + Маннитол

Фруктоза при цьому служить акцептором надлишкових відновлювальних еквівалентів:

Фруктоза + NADH2 - »Маннитол + NAD

Lactobacillus plantarum (= pentosus або arabinosus) зброжує глюкозу по гомоферментативного шляху, а пентози розщеплює за допомогою фосфокетолази, перетворюючи в лактат і ацетат. Слід зазначити, що навіть така типова гомоферментативного бактерія, як Lactobacillus casei, хоча і зброжує глюкозу по гомоферментативного, шляхи, але рибозу перетворює в ацетат і лактат гетероферментативних шляхом. Рибоза індукує у неї синтез фосфокетолази. Якщо клітини, які виросли на середовищі з рибозой, відмити, то після цього вони і глюкозу будуть зброджувати як гетероферментативні бактерії.

Бродіння, здійснюване Bifidobacterium bifidum. Гетероферментативних молочнокислая бактерія В.bifidum отримала цю назву за свою V- або Y-подібну форму (лат. Bifidus- роздвоєний). Вона відома тим, що переважає в кишечнику грудних дітей, особливо дітей, що вигодовуються грудьми. Цю залежність її поширення від способу годування немовляти можна було пов'язати з потребою бактерії в вуглеводах, що містять N-ацетилглюкозамин, які є тільки в молоці людини, але не корови. Всі представники роду Bifidobacterium - строгі анаероби; вони не переносять присутності кисню, і для їх росту потрібна атмосфера, яка містить 10% СО2. З тих пір як стали відомі ці незвичайні для молочнокислих бактерій особливості, біфідобактерії були виявлені і в кишкової флори дорослих людей, і в багатьох інших місцях, навіть в гниючому мулі, і тепер розрізняють багато видів цього роду. Біфідобактерії розщеплюють глюкозу відповідно до рівняння

Тобто зброджують її по фосфокетолазному побічного шляху. Вони не мають ні альдолази, ні глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, але містять активні фосфокетолази, що розщеплюють фруктозо-6-фосфат і ксилулозо-5-фосфат на ацетілфосфат і еритроза-4-фосфат або глицеральдегид-3-фосфат. Гексози зазнають такі перетворення:

Застосування молочнокислих бактерій в домашньому господарстві, сільському господарстві і для приготування харчових продуктів. Якщо нестерильний розчин, що містить поряд з цукрами також складні джерела азоту і фактори росту, залишити без доступу повітря або просто налити в посудину досить велика кількість такого розчину, то незабаром в ньому з'являться молочнокислі бактерії. Вони знижують рН до значень <5 и тем самым подавляют рост других анаэробных бактерий, которые не могут развиваться в столь кислой среде. Какие именно молочнокислые бактерии вырастут в таких накопительных культурах, зависит от прочих условий. Благодаря своему стерилизующему и консервирующему действию, основанному на подкислении среды, молочнокислые бактерии используются в сельском и домашнем хозяйстве и в молочной промышленности.

Приготування силосу. Молочнокислі бактерії, що мешкають на рослинах, відіграють велику роль при запасанні про запас кормів для худоби. Для приготування силосу використовують листя цукрових буряків, кукурудзу, картоплю, трави і люцерну. Рослинну масу пресують і додають до неї мелясу, щоб підвищити відношення C / N, і мурашину або яку-небудь неорганічну кислоту, щоб заздалегідь забезпечити прискорене зростання лактобацил і стрептококів. В таких умовах відбувається контрольоване молочнокисле бродіння.

Приготування кислої капусти. Кисла капуста теж є продукт, в приготуванні якого беруть участь молочнокислі бактерії. У дрібно нарізаною, посипаною сіллю (2-3%) і спресованої білокачанну капусту при виключенні доступу повітря починається спонтанне молочнокисле бродіння, в якому бере участь спочатку Leuconostoc (з утворенням СО2), а пізніше Lactobacillus plantarum.

Молочні продукти. Молочнокислі бактерії, що утворюють кислоту і надають продуктам певний смак, знаходять широке застосування в молочній промисловості. Стерилізоване, або пастеризоване молоко, або ж вершки зброджують, додаючи в якості закваски чисті ( «стартові») культури молочнокислих бактерій. Кисломолочне масло готують з вершків, поквашених за допомогою Streptococcus lactis, S. cremoris і Leuconostoc cremoris. Утворений в процесі бродіння діацетил надає маслу специфічний аромат.

Для приготування молочнокислих продуктів (табл. 8.3) в якості заквасок теж використовуються стартові культури молочнокислих бактерій, що утворюють кислоту і деякі речовини, що додають продукту характерний запах. Ароматне пахтанье отримують за допомогою згаданих вище заквасок, які застосовуються для приготування кисломолочного масла. Пахтанье поряд з молочною кислотою містить також оцтову кислоту, ацетоін і діацетил. Йогурт отримують з пастеризованого гомогенізоване цільного молока, інокулював Streptococcus thermophilus і Lactobacillus bulgaricus (після внесення закваски молоко витримують 2-3 ч при 43-45 ° С). Під назвою біогурт в продаж надходить кисле молоко, сквашенное Lactobacillus acidophilus і Streptococcus thermophilus.Кефір належить до молочнокислим продуктам, що містять кислоти і етанол; його отримують з молока (коров'ячого, овечого або козячого). Закваску готують на так званих кефірних зернах, які складаються з поки ще не повністю вивченого співтовариства організмів, що включає лактобацили, стрептококи, мікрококи і дріжджі. Сквашивание молока ведуть при 15-22 ° С протягом 24-36 год. Для приготування кумису використовують осляче молоко, яке інокуліруют культурою, що містить Lactobacillus bulgaricus і дріжджі роду Torula.

Чисту молочну кислоту, яка використовується для різних промислових цілей і як добавка до харчових продуктів, отримують в результаті бродіння. Молоко або сироватку зброджують за допомогою Lactobacillus casei або L. bulgaricus. Для зброджування глюкози і мальтози застосовують L. delbruckii, L.leichmannii або Sporolactobacillus inulinus. Джерелом необхідних факторів росту служать меляса та солод.

Освіта кислоти в кислому тісті, використовуваної для його підйому, теж забезпечується молочнокислими бактеріями, зокрема Lactobacillus plantarum і L. coryneformis. Стартові культури лактобацил і микрококков застосовуються також для приготування сирокопчених ковбас (салямі, сервелат). Утворюючи молочну кислоту і знижуючи рН, молочнокислі бактерії захищають від псування ті види ковбас, зміст яких не повинен варінні.