молочнокисле бродіння

Молочнокисле бродіння вважається еволюційно одним з найдавніших і примітивних типів бродіння. За характером самого процесу і утворюється кінцевим продуктам розрізняють гомо- і гетероферментативних молочнокисле бродіння.

В основі гомоферментативного молочнокислого бродіння лежить гліколетіческій цикл зброджування гексози з утворенням двох молекул піровиноградної кислоти. Остання, виступає кінцевим акцептором водню, відновлюється до молочної кислоти. Цей процес можна виразити таким рівнянням:

Енергетичний вихід гомоферментативного молочнокислого бродіння невеликий і становить лише 2 молекули АТФ на 1 молекулу зброджених глюкози.

Процес ведуть гомоферментативное молочнокислі бактерії, здатні зброджувати 85 - 98% цукру, що перебуває в середовищі, до молочної кислоти. Морфологічно вони представлені кокками, що відносяться до пологів Streptococcus і Pediococcus, паличкоподібними формами великого роду Lactobacillus. Всі бактерії цієї групи за методом Грамма фарбуються позитивно, спор не утворюють, нерухомі. По відношенню до кисню аеротолерантнимі, тобто здатні рости при доступі кисню. Молочнокислі бактерії характеризуються низькими Біосинтетичними здібностями. Джерелом вуглецю для них служать молочні або рослинні цукру і рідко деякі пентози, сахароспирти і органічні кислоти. Низькі биосинтетические здатності цієї групи бактерій свідчать про примітивність їх конструктивного метаболізму.

В основі гетероферментативних молочнокислого бродіння лежить пентозофосфатний шлях зброджування гексоз або пентоз з утворенням молочнокислої кислоти і ряду інших продуктів - оцтової кислоти, етилену спирту, гліцерину і вуглекислого газу:

Облігатні гетеротрофні молочнокислі бактерії позбавлені ключових ферментів гліколетіческого шляху - альдолази і тріозофосфатізомерази. До цієї групи належать бактерії пологів Lactobacillus, Leuconostoc і Bifidobacterium. Деякі молочнокислі бактерії здатні вести як гомо-, так і гетероферментативних молочнокисле бродіння, зброджуючи гексози по гликолитическому, а пентози по пентозному шляху.

Молочнокислі бактерії вельми широко поширені в природі. Вони легко виділяються з молока і всіх молочних продуктів, з поверхні рослин і руйнуються рослинних мас, з грунту і ризосфери рослин, зі шлунка і кишечника тварин і людини.

З незапам'ятних часів молочнокислі бактерії знаходять застосування в різних галузях господарської діяльності людини - для приготування кисломолочних продуктів, вершкового масла, сиру, квашення овочів і т.д.

Для виробництва кисломолочних продуктів в різних географічних широтах використовують різні види молочнокислих бактерій. Так, на півночі в закваску для кислого молока входять в основному кокові форми Streptococcus lactis і S. cremoris; на півдні в заквасці кислого молока переважає болгарська паличка (Lactobacillus bulgaricus).

Закваски деяких національних кисломолочних продуктів (кефіру, кумису, йогурту) представлені історично склалися симбіотичних комплексами молочнокислих бактерій і дріжджів. Молочнокислі бактерії зброджують лактозу молока з утворенням 0,8-1% молочної кислоти, дріжджі ведуть спиртове бродіння і зброджують лактозу з утворенням 1% -ного етилового спирту.

Молочнокислі бактерії відіграють важливу роль в приготуванні сирів. В основі сироваріння лежить коагуляція казеінамолока під дією сичужного ферменту, що отримується з шлунка жуйних жжівотних. Утворилися згустки казеїну відокремлюють від молочної сироватки, преса, витримують в розчині солі і залишають на дозрівання. Під час дозрівання в сирній масі йдуть складні процеси перетворення казеїну в амінокислоти під впливом ферментів.

У процесах квашення овочів і силосування кормів беруть участь численні спонтанні раси гомо- і гетеро- ферментативних молочнокислих бактерій.

Гетероферментативні молочнокислі бактерії роду Bifidobacterium є мешканцями кишечника тварин і людини, нерідко вони становлять від 50 до 90% мікробного населення в фекаліях людини.

Багато молочнокислі бактерії здатні синтезувати речовини, що володіють антибіотичними властивостями (лактолин, низин, бревін, діплококкцін і ін.). На цій властивості молочнокислих бактерій грунтується їх антагоністичну дію на гнильні і хвороботворні мікроорганізми в кишечнику людини і тварин.

Процес спиртового бродіння проходить по гликолитическому шляху до утворення піровиноградної кислоти. Далі за участю ключового ферменту спиртового бродіння - піруватдекарбоксилази - відбувається декарбрксілірованіе піровиноградної кислоти. В результаті утворюються ацетальдегід і вуглекислий газ.

Утворився ацетальдегід виступає кінцевим акцептором і під дією НАД + -залежною алькогольдегідрогенази відновлюється до етилену спирту. Донором водню, як і при молочнокислом бродінні, служить 3-фосфогліцеріновий альдегід.

Сумарно процес спиртового бродіння можна виразити таким рівнянням:

Енергетичний вихід процесу становлять 2 молекули АТФ на
1 молекулу зброджених глюкози. Відмінність спиртового бродіння від молочнокислого полягає в різній природі кінцевого акцептора водню.

Спиртове бродіння лежить в основі ряду промислових виробництв - виноробства, отримання спирту, пивоваріння, хлібопечення. На Європейському континенті в промисловості використовують різні раси сахароміцетних дріжджів (Saccharomyces cerevisiae, Sacch. Vini), на Американському континенті - різні раси схізосахароміцети.

Серед прокаріотів до активного спиртовому бродінню здатні Erwinia amylovora, Zymomonas mobilis, Sarcina vintriculi. Остання використовується в промисловому виробництві для отримання етилового спирту в країнах Сходу.

Маслянокислое бродіння. Маслянокислое бродіння проходить в строго анаеробних умовах і ведуть його облігатно-аеробні бактерії роду Clostridium.

Цей тип бродіння слід розглядати як один з варіантів ускладненого бродіння, в основі якого лежить гликолитический шлях зброджування вуглеводів до піровиноградної кислоти. Характерною особливістю маслянокислого бродіння є реакція конденсації з утворенням С4 - з'єднання (масляної кислоти). В результаті з піровиноградної кислоти утворюються уксксний альдегід, мурашина і оцтова кислота, нерідко етиловий спирт. Мурашина кислота розпадається до СО2 і Н2. а реакція конденсації ацетальдегіду призводить до утворення масляної кислоти. Сумарно процес маслянокислого бродіння можна виразити таким рівнянням:

Енергетичний вихід даного процесу становить 3,3 молекули АТФ на 1 молекулу зброджених глюкози. Процес маслянокислого бродіння дуже лабилен і залежить від складу живильного середовища і стадії розвитку культури мікроорганізму.

Маслянокислі бактерії роду Clostridium численні і гетерогенні. Морфологічно вони представлені великими паличками. У молодої культурі палички рухливі, тип жгутикования перитрихиально. У міру старіння клітини формують ендоспори. Спорангии перехідного типу - від клострідіального до плекрідіальному, форма суперечка сферична або овальна.

За типом використання углевмістких речовин маслянокислі бактерії поділяються на сахаролитические і протеолітичні. Сахаролитические види (Cl. Butyricum, Cl. Pasteurianus, і ін.) Зброджують різні сполуки вуглеводної природи: пектин, целюлозу, крохмаль, хітин і т.д. Протеологіческіе клостридії (Cl. Hutrificum, Cl. Sporogenes,
Cl. Histolyticum) в якості зброджуваного субстрату використовують білки, амінокислоти, пуринів, піримідинів.

Різні види маслянокисле бактерій в природі ведуть найрізноманітніші процеси: аеробне Амоніфікація органічних азотовмісних речовин, анаеробне розкладання рослинних залишків - пектину і клітковини.

Маслянокислі бактерії нерідко завдають шкоди, викликаючи псування продуктів - прогоркание масла, сметани, і т.д.

Однією з різновидів маслянокислого бродіння є ацетоно-бутилове бродіння. Основні продукти - бутиловий, етиловий і ізопропіловий спирт, ацетон і газ СО2 і Н2. Сумарно цей процес бродіння може бути виражений наступним рівнянням:

Вихід продукту бродіння обумовлюється складом живильного субстрату, умовами рН середовища, температурою, а також видом маслянокисле бактерій, провідних бродіння. Цей вид маслянокислого бродіння широко використовується в сучасному виробництві для отримання діфіцітних реактивів - ацетону і бутилового спирту з будь-якого крахмалсодержащего сировини.

Розглянувши суть процесів бродіння на конкретних прикладах, підкреслимо ще раз, що цей тип анаеробного окислення є найбільш примітивним способом отримання енергії. Серед царства прокаріот анаеробне окислення притаманне численної і різноманітної групі мікроорганізмів. Однак тільки невелика частина їх може бути названа первинними анаеробами. Велика частина нині існуючих анаеробів має вторинне походження, пов'язане з адаптацією їх до анаеробних умов середовища і втратою здатності до анаеробного окислення з використанням молекулярного кисню. Прикладом таких мікроорганізмів може служити мікрофлора кишечника. В цілому анаеробні прокаріоти і в сучасну епоху займають широкі екологічні ніші - глибинні шари грунту і води, придонні мули морів і океанів, нафтові свердловини і т.д.