Химизм брожения и типы брожения

 

            С₆Н₁₂О₆                              2СН₃СНОН-СООН

              глюкоза                                     молочная кислота

 

 

 

 

При гетероферментативном брожении кроме молочной кислоты, образуется значительное количество уксусной кислоты, этилового спирта, глицерина и СО₂. Окисление глюкозы молочнокислыми бактериями при этом идет по гексозомонофосфатному пути:

          С₆Н₁₂О₆ →  2СН₃СНОН-СООН + СН₃-СООН + СН₃-СН₂ОН +

           глюкоза           молочная кислота           уксусная            этиловый    

                                                                               кислота               спирт

 

                           + СН₂ОН-СНОН-СН₂ОН + СО₂ 

                                глицерин

Молочнокислые бактерии относятся к трем семействам Lactobacteriaceae, Streptococcaceae и Peptococcaceae. Характерные виды молочнокислых бактерий относятся к родам Streptococcus, Lactobacillus и Leuconostoc.

По отношению  к источникам углерода и азота  молочнокислые бактерии сильно отличаются друг от друга. Это свойство используется для их систематики. Моносахариды легко сбраживаются  всеми молочнокислыми бактериями. Дисахариды ассимилируются избирательно, а полисахариды сбраживаются лишь единичными культурами. Некоторые из них потребляют органические кислоты.

Молочнокислые бактерии потребляют аминокислоты, пептиды, иногда и белки в качестве источника азота. Они нуждаются в ростовом веществе (рибофлавине) и одновременно сами накапливают В₁. Оптимумом температуры для их развития является 25-30ºС, минимальная - 5ºС, а максимальная – 55-57ºС. Спор не образуют, поэтому при дальнейшем повышении температуры они быстро погибают.

По отношению  к кислороду молочнокислые бактерии являются факультативными анаэробами, т.е. живут как при наличии кислорода воздуха, так и без него. При развитии довольно сильно подкисляют  среду, поэтому приспособились к существованию в зоне кислого интервала.

Молоко, сквашенное бактерией  Lactobacillus acidophilum, является хорошим лечебным средством при желудочно-кишечных заболеваниях. В молоке и молочных продуктах обычно обнаруживают два вида бактерий - Lactobacillus casei и L.plantarum.  Первая играет важную роль в созревании сыров, а вторая – при квашении овощей и силосовании. Следовательно, молочнокислые бактерии имеют огромное практическое значение.

В различных  географических зонах в молоке встречаются  разные молочнокислые бактерии. Например, молоко в северной зоне содержит шаровидные бактерии Streptococcus lactis, а в южной полосе– палочковидные бактерии Lactobacillus caucasicum, L.bulgaricum. В связи с этим кислое молоко различных зон существенно различается по вкусовым качествам.

Ряд молочнокислых  продуктов готовят, используя закваску, содержащую симбиотические комплексы микроорганизмов. Например, для приготовления кефира в молоко вносят так называемые кефирное зерно. Оно содержит молочнокислые бактерии Lactobacillus casei и Streptococcus lactis, дрожжи Saccharomyces kefir. Продуктом брожения кефирного зерна являются молочная кислота и этиловый спирт.

Смешанное брожение наблюдается и при приготовлении  кумыса из кобыльего молока. В данном случае молочнокислое брожение осуществляется бактерией L.bulgaricum и дрожжами, сбраживающими лактозу.

При смешанном  брожении получают кислое молоко разной консистенции. Если молочнокислое брожение преобладает над спиртовым, то получается кислое молоко густой консистенции (простокваша, катык и др.). Если спиртовое брожение преобладает над молочнокислым получается жидкий продукт (кумыс, чал). Если оба типа брожения протекают в одинаковой  степени, то получается полужидкий продукт (кефир).

Распространение и места обитания. Распространение молочнокислых бактерий в природе определяется их сложными потребностями в питательных веществах и способом получения энергии (только брожение). Эти бактерии почти никогда не обнаруживаются в почве или водоемах. В естественных условиях они встречаются:

 

а)  в молоке, местах его переработки и молочных продуктах

 

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

 

б) на растениях  и на разлагающихся растительных остатках (Lactobacillus plantarum, L. delbriickii, L. fermentum, L. brevis; Streptococcus lactis; Leuconostoc mesenteroides);

 

в) в кишечнике  и на слизистых оболочках человека и животных

 

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

 

Streptococcus faecalis - обычный обитатель кишечника человека; S. bovis распространен в пищеварительном тракте жвачных. Многие стрептококки являются безобидными обитателями слизистых рта, дыхательных и мочевых путей, половых органов; однако среди стрептококков есть и паразиты крови - весьма вирулентные возбудители болезней.

Благодаря образованию  больших количеств молочной кислоты, к которой сами они в значительной степени толерантны, молочно кислые бактерии при подходящих условиях могут  довольно быстро размножаться, вытесняя другие микроорганизмы. По этой причине их легко культивировать на элективных средах и легко выделять. «Естественные накопительные культуры» этих бактерий содержатся в кислом молоке и молочных продуктах, кислом тесте, кислой капусте, силосе и т.п.

Катаболизм  углеводов и продукты брожения. В зависимости от того, какие продукты образуются при сбраживании глюкозы - только молочная кислота или также другие органические продукты и СО2, - молочнокислые бактерии принято подразделять на гомоферментативные и гетероферментативные (табл. 8.2). Это старое деление отражает коренные различия в путях катаболизма сахаров.

 

Гомоферментативное молочнокислое  брожение. Гомоферментативные молочнокислые бактерии образуют практически только одну молочную кислоту (она составляет не менее 90% всех продуктов брожения). Катаболизм глюкозы происходит у них по фруктозодифосфатному пути (бактерии обладают всеми необходимыми для этого ферментами, включая альдолазу), а водород, отщепляющийся при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата, передается на пируват. От стереоспецифичности лактатдегидрогеназы (а) и от наличия лактатрацемазы зависит, какой продукт образуется - D (-)-, L (+)- или DL-молочная кислота. Лишь небольшая часть пирувата декарбоксилируется, превращаясь в уксусную кислоту, этанол и СО2, а также в ацетоин. Количество образующихся побочных продуктов зависит, по-видимому, от доступа кислорода.

Гетероферментативное  молочнокислое брожение. У гетероферментативных молочнокислых бактерий нет главных ферментов фруктозодифосфатного пути - альдолазы и триозофосфатизомеразы. Начальное превращение глюкозы идет у них исключительно по пентозофосфатному пути, т.е. через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат и рибулозо-5-фосфат (см. рис. 7.4 и 8.2). Рибулозо-5-фосфат под действием эпимеразы превращается в ксилулозо-5-фосфат, который в результате тиаминпирофосфат-зависимой   реакции,   катализируемой   пентозофосфокетолазой, расщепляется с образованием глицеральдегидфосфата и ацетилфосфата:

Нерастущие, отмытые  клетки Leuconostoc mesenteroides сбраживают глюкозу почти стехиометрически согласно уравнению

 

С₆Н₁₂О₆ -> СН₃-СНОН-СООН + СН₃-СН₂ОН + СО₂

в лактат, этанол и двуокись углерода. Таким образом, у этих бактерий ацетилфосфат восстанавливается  через ацетил-СоА и ацетальдегид в этанол (рис. 8.2). Другие гетероферментативные молочнокислые бактерии переводят ацетилфосфат частично или целиком в уксусную кислоту, что сопровождается переносом высокоэнергетической фосфатной связи на ADP с образованием АТР. Избыток водорода передается в этом случае глюкозе, из которой образуется маннитол. Глицеральдегидфосфат через пируват превращается в лактат. Рибозу Leuconostoc mesenteroides сбраживает в лактат и ацетат.

При сбраживании  фруктозы гетероферментативными бактериями образуются лактат, ацетат, СО₂ и маннитол:

 

3 Фруктоза  -»   Лактат   +   Ацетат   +   СО₂   +   Маннитол

 

 

Фруктоза при  этом служит акцептором избыточных восстановительных  эквивалентов:

 

Фруктоза   +   NADH2   -» Маннитол   +   NAD

 

Lactobacillus plantarum (= pentosus или arabinosus) сбраживает глюкозу по гомоферментативному пути, а пентозы расщепляет с помощью фосфокетолазы, превращая в лактат и ацетат. Следует отметить, что даже такая типичная гомоферментативная бактерия, как Lactobacillus casei, хотя и сбраживает глюкозу по гомоферментативному, пути, но рибозу превращает в ацетат и лактат гетероферментативным путем. Рибоза индуцирует у нее синтез фосфокетолазы. Если клетки, выросшие на среде с рибозой, отмыть, то после этого они и глюкозу будут сбраживать как гетероферментативные бактерии.

Брожение, осуществляемое Bifidobacterium bifidum. Гетероферментативная молочнокислая бактерия В.bifidum получила это название за свою V- или Y-образную форму (лат. bifidus-раздвоенный). Она известна тем, что преобладает в кишечнике грудных детей, особенно детей, вскармливаемых грудью. Эту зависимость ее распространения от способа кормления грудного ребенка можно было связать с потребностью бактерии в углеводах, содержащих N-ацетилглюкозамин, которые имеются только в молоке человека, но не коровы. Все представители рода Bifidobacterium - строгие анаэробы; они не переносят присутствия кислорода, и для их роста нужна атмосфера, содержащая 10% СО2. С тех пор как стали известны эти необычные для молочнокислых бактерий особенности, бифидобактерии были обнаружены и в кишечной флоре взрослых людей, и во многих других местах, даже в гниющем иле, и теперь различают много видов этого рода. Бифидобактерии расщепляют глюкозу согласно уравнению

 

2С₆Н₁₂0₆   ->  2СН₃- СНОН-СООН   +   ЗСН₃-СООН

 

Т.е. сбраживают ее по фосфокетолазному побочному пути. Они не имеют ни альдолазы, ни глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, но содержат активные фосфокетолазы, расщепляющие фруктозо-6-фосфат и ксилулозо-5-фосфат на ацетилфосфат и эритрозо-4-фосфат или глицеральдегид-3-фосфат. Гексозы претерпевают следующие превращения:

 Применение молочнокислых бактерий в домашнем хозяйстве, сельском хозяйстве и для приготовления пищевых продуктов. Если нестерильный раствор, содержащий наряду с сахарами также сложные источники азота и факторы роста, оставить без доступа воздуха или просто налить в сосуд достаточно большое количество такого раствора, то вскоре в нем появятся молочнокислые бактерии. Они снижают рН до значений < 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.

Приготовление силоса. Молочнокислые бактерии, обитающие на растениях, играют большую роль при запасании впрок кормов для скота. Для приготовления силоса используют листья сахарной свеклы, кукурузу, картофель, травы и люцерну. Растительную массу прессуют и прибавляют к ней мелассу, чтобы повысить отношение C/N, и муравьиную или какую-либо неорганическую кислоту, чтобы заранее обеспечить преимущественный рост лактобацилл и стрептококков. В таких условиях происходит контролируемое молочнокислое брожение.

Приготовление кислой капусты. Кислая капуста тоже представляет собой продукт, в приготовлении которого участвуют молочнокислые бактерии. В мелко нарезанной, посыпанной солью (2-3%) и спрессованной белокочанной капусте при исключении доступа воздуха начинается спонтанное молочнокислое брожение, в котором принимает участие сначала Leuconostoc (с образованием СО2), а позднее Lactobacillus plantarum.

 

Молочные  продукты. Молочнокислые бактерии, образующие кислоту и придающие продуктам определенный вкус, находят широкое применение в молочной промышленности. Стерилизованное, или пастеризованное молоко, или же сливки сбраживают, прибавляя в качестве закваски чистые («стартовые») культуры молочнокислых бактерий. Кисломолочное масло готовят из сливок, сквашенных с помощью Streptococcus lactis, S. cremoris и Leuconostoc cremoris. Образующийся в процессе брожения диацетил придает маслу  специфический  аромат.

Закваски, содержащие Streptococcus lactis или Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus, вызывают свертывание казеина при приготовлении творога и немецких сыров (гарцского и майнцского). При изготовлении твердых сыров (в отличие от сыров из кислого молока) для свертывания казеина пользуются сычужным ферментом. Молочнокислые бактерии (Lactobacillus casei, Streptococcus lactis) вместе с пропионовокислыми участвуют лишь на стадии созревания сыров.

 

Для приготовления  молочнокислых продуктов (табл. 8.3) в  качестве заквасок тоже используются стартовые культуры молочнокислых  бактерий, образующих кислоту и некоторые вещества, придающие продукту характерный запах. Ароматное пахтанье получают с помощью упомянутых выше заквасок, применяемых для приготовления кисломолочного масла. Пахтанье наряду с молочной кислотой содержит также уксусную кислоту, ацетоин и диацетил. Йогурт получают из пастеризованного гомогенизированного цельного молока, инокулированного Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus (после внесения закваски молоко выдерживают 2-3 ч при 43-45°С). Под названием биогурт в продажу поступает кислое молоко, сквашенное Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus. Кефир принадлежит к молочнокислым продуктам, содержащим кислоты и этанол; его получают из молока (коровьего, овечьего или козьего). Закваску готовят на так называемых кефирных зернах, которые состоят из пока еще не полностью изученного сообщества организмов, включающего лактобациллы, стрептококки, микрококки и дрожжи. Сквашивание молока ведут при 15-22°С в течение 24-36 ч. Для приготовления кумыса используют ослиное молоко, которое инокулируют культурой, содержащей Lactobacillus bulgaricus и дрожжи рода Torula.