Маслянокислое брожение

БРОЖЕНИЕ
Общая характеристика процессов брожения
•
•
•
"Брожение" — это сугубо микробиологический термин. Он характеризует энергетическую сторону способа
существования нескольких групп эубактерий, при котором они осуществляют в анаэробных условиях
окислительно-восстановительные превращения органических соединений, сопровождающиеся выходом
энергии, которую эти организмы используют. Поскольку брожение протекает без участия молекулярного
кислорода, все окислительно-восстановительные превращения субстрата происходят за счет его
"внутренних" возможностей. Процесс брожения связан с такими перестройками органических молекул
субстрата, в результате которых на окислительных этапах процесса высвобождается часть свободной
энергии, заключенной в молекуле субстрата, и происходит ее запасание в молекулах АТФ. В процессе
брожения, как правило, происходит расщепление углеродного скелета молекулы субстрата .
Круг органических соединений, которые могут сбраживаться, довольно широк. Это углеводы, спирты,
органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины. Химическое вещество может быть подвергнуто
сбраживанию, если оно содержит не полностью окисленные (или восстановленные) углеродные атомы. В
этом случае есть возможность для окислительно-восстановительных преобразований между молекулами
(или внутри одного вида молекул), возникающими из субстрата. В результате одна часть продуктов
брожения будет более восстановленной, другая — более окисленной по сравнению с субстратом.
Продуктами брожений являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная,
муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, пропиловый), ацетон, а также CO2 и H2. Обычно в процессе
брожения образуется несколько продуктов. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в
среде, различают молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, пропионовокислое и другие виды брожений.
Следовательно, в каждом виде брожения можно выделить две стороны: окислительную и
восстановительную. Процессы окисления сводятся к отрыву электронов от определенных метаболитов с
помощью специфических ферментов (дегидрогеназ) и акцептированию их другими молекулами,
образующимися из сбраживаемого субстрата, т. е. в процессе брожения происходит окисление анаэробного
типа.
Определение
•
Брожение — процесс распада органических
веществ (преимущественно углеводов) под
действием ферментов, вырабатываемых
микроорганизмами.
Сбраживание других мономерных
и полимерных соединений
•
•
•
Сбраживание этилового спирта и уксусной кислоты. Некоторые
анаэробные неспорообразующие бактерии, например, Methanobacterium
omelianskii наряду с этанолом нуждаются и в ацетате. Они превращают
смесь уксусной кислоты и этилового спирта в масляную и капроновую
кислоты и молекулярный водород.
Сбраживание молочной и уксусной кислоты. Анаэробная
спорообразующая бактерия Clostridium tyrobutyricum при сбраживании
молочной кислоты требует наличие уксусной кислоты в качестве
дополнительного акцептора водорода, превращая ее в молочную
кислоту.
Метановое брожение. Облигатно-анаэробные метанобразующие
бактерии Methanobacterium omelianskii сбраживает органические кислоты
и спирты в метан(CH4) и CO2. Метанобразующие бактерии широко
применяются для получения метана из различных растительных
отходов.
Молочнокислое брожение
• - процесс превращения углеводов
молочнокислыми бактериями в молочную
кислоту.
Виды молочнокислого брожения
•
Гомоферментативное молочнокислое брожение :
При гомоферментативном молочнокислом брожении
образуется преимущественно молочная кислота.
Химизм процесса:
С6H12О6 → 2 СНзСНОНСООН + Е
глюкоза
молочная кислота
К гомоферментативным молочнокислым бактериям относятс
я молочнокислые стрептококки: Streptococcus lactis, Streptococcus
cremoris, Streptococcus thermophilus, а также молочнокислые
палочки: Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus acidophilus,
Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus ptantarum.
Род Streptococcus (Lactococcus)
•
•
Гомоферментативные cферические или овальные бактерии,
делящиеся в одной плоскости и располагающиеся парами или
цепочками.
Стрептококки делят на фекальные, молочные, стрептококки
ротовой полости (оральные) и пиогенные.
Виды молочнокислого брожения
Гетероферментативное молочнокислое брожение :
Конечными продуктами при этом брожении являются не только молочная
кислота, но и побочные продукты: уксусная кислота, этиловый спирт, янтарная
кислота, диоксид углерода, водород. Суммарное уравнение процесса имеет вид:
С6H12О6 → СНзСНОНСООН + СООНСН2СН2СООН + СНзСООН +
глюкоза
молочная кислота
янтарная кислота
уксусная кислота
+СНзСН2ОН + C02+Н2 +Е
этиловый спирт
К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся бактерии рода
Streptococcus: Streptococcus diacetilactis, Streptococcus acetoinicus; бактерии рода
Lactobacillus: Lactobacillus brevis, Lactobacillus helveticus, а также бактерии рода
Leuconostoc: Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc cremoris.
Пропионовокислое
брожение
•
небольшие, неподвижные грамположительные
палочки, не образующие спор, факультативные
анаэробы. Обитают в основном в кишечном тракте
жвачных животных и в молоке.
Химизм пропионовокислого брожения:
ЗС6H12О6 → 4СНзCH2СООН + 2СНзСООН + 2CO2 +
2H2O +Е
глюкоза
пропионовая
уксусная
кислота
кислота
Практическое применение
пропионовокислого брожения
•
•
Пропионовокислое брожение используется в сыроделии. Летучие
кислоты (пропионовая и уксусная) придают сырам кисловато-острый
вкус, а выделяющийся в виде пузырьков углекислый газ образует
«глазки» в сыре.
У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к активному
синтезу витамина В12, поэтому они используются в качестве продуцента
в микробиологической промышленности для получения этого витамина.
Муравьинокислое брожение
•
Этот тип брожения характерен для представителей
семейства энтеробактерий. Одним из конечных продуктов
данного типа брожения является муравьиная кислота.
Наряду с ней образуются молочная, уксусная кислоты и
другие продукты.
• СН2О2 (муравьиная кислота)
Маслянокислое брожение
•
- анаэробное окисление органических веществ маслянокислыми
бактериями в масляную кислоту.
Химизм процесса:
С6H12О6 → СНзСН2СН2СООН + 2 С02 + 2Н2 +Е
глюкоза
масляная кислота
Возбудители маслянокислого брожения
•
•
•
Маслянокислые бактерии относятся к роду Clostridium. Это крупные,
подвижные грамположительные палочки, образующие устойчивые споры,
при образовании которых клетка приобретает форму веретена или
теннисной ракетки, облигатные (строгие) анаэробы.
Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Обитают
там, где много органических веществ и нет доступа воздуха – в иловых
отложениях водоемов, навозе, почве и т.д.
Эти бактерии могут сбраживать многие углеводы, в т.ч. (крахмал,
гликоген, пектиновые вещества, целлюлозу), спирты (этиловый, маннит,
глицерин) и аминокислоты. По характеру используемых субстратов
маслянокислые бактерии делятся на две группы: сахаролитические
клостридии, которые сбраживают в основном углеводы (Ctostridium
butyricum), и протеопитические клостридии,которые разлагают белки и
пептоны до аминокислот и затем их сбраживают (Clostridium sporogenes,
Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum).
Практическое значение маслянокислого
брожения
•
•
Маслянокислое брожение используется в промышленности для
получения масляной кислоты (продуцент Clostridium butyricum).
Хотя масляная кислота обладает резким, неприятным запахом
прогорклого масла, ее эфиры отличаются приятным
ароматом: метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый –
грушевый, амиловый – ананасный. Эфиры масляной кислоты
используют в кондитерской, безалкогольной, парфюмерной
промышленности.
Маслянокислые бактерии участвуют в круговороте веществ в
природе. С другой стороны, маслянокислые бактерии могут
вызвать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание
сыров, порчу консервов, прогоркание масла и маргарина,
увлажненной муки и других продуктов, чем наносят большой урон
народному хозяйству. Борьба с маслянокислыми бактериями
затруднена из-за высокой устойчивости спор
Ацетонобутиловое брожение
•
•
тип брожения, характеризующийся превращением углеводов
ацетонобутиловыми бактериями с
образованием ацетона CH3COCH3 и бутилового
спирта (бутанола) CH3CH2CH2CH2OH.
Процесс данного брожения может описываться по следующей
формуле (глюкоза → бутиловый спирт + ацетон + этиловый спирт
+ масляная кислота + водород + углекислый газ + вода +
энергия):
12C6H12O6 → CH3CH2CH2CH2OH + 4CH3COCH3 + CH3CH2OH +
CH3CH2CH2COOH + 18H2 + 28CO2↑ + 2H2O + E
Практическое значение
•
•
В промышленности данное брожение используется для производства
ацетона и бутилового спирта; в качестве субстрата применяют
крахмалистое сырье. После отгона ацетона и спиртов из отстающего
отхода (так называемого «барда») используют для извлечения витамина
В2, который продуцирует ацетонобутиловые бактерии. Барда также идёт
на выращивания метановых бактерий.
В природе маслянокислое брожение способствует разрушению
органические веществ — углеводов и спиртов.
Спиртовое брожение
•
•
это процесс окисления углеводов, в результате которого
образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.
С6Н12О6=2СО2+2С2Н5ОН (этиловый спирт)
Двухфазность брожений (В. Н.
Шапошников)
•
Первая фаза соответствует периоду молодости культуры; в течение
этой фазы происходит быстрый рост и размножение клеток и
образуются более окисленные продукты брожения. Вторая фаза
характерна для зрелой культуры, уже замедлившей свой рост; характер
бродильных процессов при этом сильно меняется, вместо окисленных
продуктов начинают образовываться более восстановленные
соединения. Особенно хорошо изучено это явление у бактерий,
вызывающих ацетонобутиловое брожение. На первой фазе брожения
образуются по преимуществу масляная и уксусная кислоты, а на второй
фазе в среде накапливаются нейтральные продукты — бутиловый спирт
и ацетон. При этом кислотность среды падает в результате того, что
образовавшиеся кислоты перерабатываются в нейтральные
соединения. Интересно отметить, что на этой фазе изменяется
соотношение выделяемых газов брожения: отношение Н2:CO2
смещается в сторону последней.Аналогичное явление отмечается и при
бутиленгликолевом брожении.
Двухфазность брожений (В. Н.
Шапошников)
•
Существенную роль имеет при этом активная кислотность среды. Сбраживание
глюкозы микроорганизмом Aerobacter aerogenes начинается с интенсивного
образования кислот — уксусной, муравьиной, молочной и этилового спирта. Если
же активную кислотность искусственно поддерживать в щелочной зоне, то эти
продукты остаются основными в течение всего брожения; при этом ни ацетона, ни
2,3-бутиленгликоля не образуется. Ho если не поддерживать кислотность в
нейтральной или щелочной зоне, го накопление кислот вызывает снижение
активной кислотности до pH 4,5—4,4 и по мере подкисления субстрата характер
брожения изменяется. Уже при pH 6,5—6,0 начинается потребление уксусной
кислоты, несмотря на наличие несброженной глюкозы, и образование нейтральных
продуктов — ацетона и 2,3-бутиленгликоля. Большое значение при этом имеют и
условия аэрации бродящей среды. В анаэробных условиях ацетона образуется
вдвое меньше, чем при доступе кислорода.
Практическое значение может иметь и то обстоятельство, что в культурах
термофильных бактерий по мере их развития сильно изменяется соотношение
продуктов брожения; за первые 24 ч культивирования выход молочной кислоты
составляет 30% от потребления глюкозы, а на вторые сутки он достигает 96%