Химизм брожения и типы брожения

Чистую молочную кислоту, которая используется для  различных промышленных целей и  как добавка к пищевым продуктам, получают в результате брожения. Молоко или сыворотку сбраживают при помощи Lactobacillus casei или L. bulgaricus. Для сбраживания глюкозы и мальтозы применяют L. delbruckii, L.leichmannii или Sporolactobacillus inulinus. Источником необходимых факторов  роста служат меласса и солод.

Образование кислоты  в кислом тесте, используемой для  его подъема, тоже обеспечивается молочнокислыми бактериями, в частности Lactobacillus plantarum и L. coryneformis. Стартовые культуры лактобацилл и микрококков применяются также для приготовления сырокопченых колбас (салями, сервелат). Образуя молочную кислоту и снижая рН, молочнокислые бактерии предохраняют от порчи те виды колбас, которые не подвергаются варке.

 

2.4. Пропионовокислое брожение

 

Это брожение идет с образованием из сахара пропионовой кислоты и осуществляется бактериями рода Propionobacterium, близкими к гетероферментативным молочнокислым бактериям. Брожение идет по следующему уравнению:

 

         3С₆Н₁₂О₆ → 4СН₃СН₂СООН + 2СН₃СООН + 2СН₂ + 2Н₂О

           глюкоза          пропионовая              уксусная            

                                       кислота                    кислота                 

 

 

Типичными представителями  пропионовокислых бактерий являются Propionobacterium shermani и P.pentosaceum,  которые относятся к семейству Lactobacteriaceae. Однако Пропионовокислое брожение могут вызывать и другие бактерии – Clostridium propionicum, Microspora sp.

Бактерии пропионовокислого  брожения представляют собой  неподвижные палочки, не образующие спор. Они относятся к факультативным анаэробам. В качестве источников энергии используют углеводы, органические кислоты, спирты. Сбраживание сахара этими бактериями идет по фруктозо-1,6-дифосфатному пути. Они для своего роста требуют наличия в среде белков и аминокислот. Обнаруживаются вместе с молочнокислыми бактериями в молоке и молочных продуктах. Они попадают  в молоко из почвы и с растений. Играют важную роль в созревании сычужных сыров. После окончания молочнокислого брожения лактозы в созревающем сыре, следует стадия пропионовокислого брожения, сопровождающееся сбраживанием  молочной кислоты в уксусную и пропионовую кислоты. Эти кислоты придают острый вкус сырам, а образуемая этими бактериями СО₂ обуславливает появление глазков сыра.

В промышленности пропионовокислые бактерии используются для получения витамина В₁₂, который они образуют в более значительных количествах, нежели другие микроорганизмы.

 

2.5. Муравьинокислое брожение

 

Некоторые микроорганизмы, образующие при брожении кислоты, объединяют в одну физиологическую группу на том основании, что характерным, хотя и не главным, продуктом брожения у них является муравьиная кислота. Наряду с муравьиной кислотой эти бактерии выделяют и некоторые другие кислоты, поэтому такой тип метаболизма называют муравьинокислым брожением или брожением смешанного типа. Так как некоторые типичные представители этой группы обитают в кишечнике, все семейство носит название Enterobacteriaceae. Это грамотрицательные, активно подвижные палочки с перитрихиальным жгутикованием, спор не образуют, факультативные аэробы. Типичным представителем является Escherichia coli – обитатель кишечника. Эта бактерия некоторое время может сохранять жизнеспособность и вне кишечника. Этим пользуются для того, чтобы обнаружить загрязнение питьевой воды фекалиями.

К семейству Enterobacteriaceae относятся также: 1) Proteus vulgaris из кишечной биоты, широко распространенный также в почве и воде; 2) Aеrobacter aerogenes – распространен в почве; 3) светящиеся бактерии (Photobacterium) – морские факультативные анаэробные бактерии, т.е. в аэробных условиях окисляют субстраты за счет О₂ (при этом наблюдается свечение), а в анаэробных условиях осуществляют смешанное брожение, при котором образуются муравьиная, уксусная, молочная и янтарная кислоты, этиловый спирт и СО₂.

В зависимости от того, какие продукты брожения выделяются в анаэробных условиях, различают два типа процессов: а) при брожении, характерном для Escherichia coli, образуются главным образом кислоты и совсем не образуется бутандиол;

 

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

             глюкоза       муравьиная      уксусная             молочная

                                    кислота           кислота               кислота 

 

                   + НООС-СН₂-СН₂-СООН + СН₃-СН₂ОН + Н₂ + СО₂

                           янтарная кислота                 этиловый спирт

 

 

б) при брожении, характерным для Enterobacter aerogenes, основной продукт – бутандиол, кислоты же занимают второе место.

                           Enterobacter

    С₆Н₁₂О₆      aerogenes         СН₃-СНОН-СНОН-СН₃ + СН₃-СН₂ОН +

     глюкоза                                       2,3-бутандиол                   этиловый       

                                                  спирт              

               

+ НСООН +СН₃СНОН-СООН + СН₃-СООН + Н₂ + СО₂

               муравьиная    молочная кислота        уксусная 

                   кислота                                              кислота

 

 

2.6. Маслянокислое брожение

 

Брожение с  образованием масляной кислоты осуществляется облигатными анаэробными, спорообразующими палочковидными бактериями, относящимися к роду Clostridium:

 

                       С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃-СН₂-СН₂-СООН + Н₂ + СО₂

                       глюкоза            масляная  кислота       

 

 

Типичным представителем является Clostridium butyricum – крупная неподвижная палочка. При образовании споры клетки приобретают веретенообразную форму барабанной палочки. В качестве источника углерода используют моно- и дисахариды, некоторые  полисахариды, а в качестве источника азота – белки, пептон, аминокислоты и даже N₂.  В анаэробных условиях разлагают клетчатку и СО₂. Существуют мезофильные и термофильные формы. Эти бактерии  используют в промышленности для получения масляной кислоты.

В ряде  случаев  маслянокислое брожение нежелательно. Например, развитие этих бактерий в заквашиваемых кормах, приводит к порче продукта. Белковая часть корма разлагается, а накопившаяся масляная кислота придает ему очень неприятный запах.

 

2.7. Ацетонобутиловое брожение

 

Этот тип  брожения представляет собой большой практический интерес, так как его основными конечными продуктами трансформации углеводов является ряд ценных веществ – бутиловый спирт, этиловый спирт, ацетон и другие продукты:

 

С₆Н₁₂О₆ → СН₃- СН₂- СН₂- СН₂ОН + СН₃-СН₂ОН + СН₃-СО-СН₃ +

глюкоза             бутиловый спирт              этиловый спирт         ацетон

 

                     + СН₃-СООН + СН₃-СН₂-СН₂-СООН + СО₂ + Н₂

                              уксусная           масляная кислота

                               кислота

 

 

Основным возбудителем этого брожения является Clostridium acetobutylicum. Эти бактерии более требовательны к ингредиентам среды, чем маслянокислые бактерии, так как нуждаются в готовых аминокислотах и витаминах. В настоящее время это брожение широко применяется в промышленном производстве ацетона и бутилового спирта из кукурузной муки или другого крахмалистого сырья. Газы, образующиеся при ацетонобутиловом брожении, используются для синтеза метилового спирта.

 

2.8. Ацетоноэтиловое брожение

При ацетоноэтиловом брожении  образуются ацетон, этиловый спирт, муравьиная и уксусная кислоты:

 

               С₆Н₁₂О₆ → СН₃СОСН₃ + СН₃-СН₂ОН + НСООН +                                          

               глюкоза          ацетон            этиловый         муравьиная

                                                                    спирт              кислота     

 

                                    + СН₃-СООН + Н₂ + СО₂

                                          уксусная

                                           кислота

 

Процесс вызывается факультативно анаэробной, спорообразующей  бактерией Bacillus acetoethylicum, которая способна сбраживать различные углеводы, а также кислоты и спирты. В практике с помощью данного брожения получают ацетон.

 

2.9 Сбраживание других мономерных и полимерных соединений

 

Сбраживание этилового спирта и уксусной кислоты. Некоторые анаэробные неспорообразующие бактерии, например, Methanobacterium omelianskii, Clostridium kluyveri 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 наличия уксусной кислоты в качестве дополнительного акцептора водорода, превращая ее в молочную кислоту.

Сбраживание глутаминовой кислоты.  Глутаминовая кислота, как и другие аминокислоты в анаэробных условиях подвергается брожению анаэробной спорообразующей палочковидной  бактерией Clostridium tetanomorphum. При этом образуются масляная и уксусная кислоты, аммиак, СО₂ и молекулярный водород. Путь катаболизма глутаминовой кислоты включает ряд необычных реакций. Сначала разрываются связи между углеродными атомами 2 и 3 и образуются связи между атомами 2 и 4, и в результате получается метиласпарагиновая  кислота. В этом принимает участие кофермент – производное витамина В₁₂.  Лишь на этой стадии происходит дезаминирование и образуется 2-метилфумаровая кислота. Последняя превращается в 2-метиляблочную, которая расщепляется на пировиноградную и уксусную кислоты. Уксусная кислота выделяется, а пировиноградная превращается в масляную кислоту и СО₂:

 

Сопряженное сбраживание двух аминокислот. Многие  аминокислоты сбраживаются только вместе с какими-нибудь другими. Как установил Стикленд Clostridium sporogenes быстро сбраживает смесь аланина и глицина, но не может использовать ни ту, ни другую из этих аминокислот в отдельности. Аланин служит донором водорода, а глицин акцептором водорода и в результате окислительно-восстановительных реакций в качестве основного продукта образуется уксусная кислота:

                    CH₃- СНNH₂-СООН + 2СНNH₂-СООН + 2Н₂О →

                 аланин                           глицин                          

 

                                      + CH₃СООН + 3NH₃+ СО₂

                                уксусная

                                 кислота

                                     

Уксуснокислое брожение. Некоторые облигатно-анаэробные и спорообразующие палочковидные бактерии из рубца жвачных животных при сбраживании глюкозы образуют уксусную кислоту. Они выделяют много Н₂ и СО₂, и создают метаногенным бактериям условия для образования метана. Из бактерий рубца, образующих уксусную кислоту наиболее активной является Ruminococcus albus. Этот вид способен превращать 1 моль глюкозы в 2 моля уксусной кислоты:

 

            С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃-СО-СООН → 2CH₃СООН + 2СО₂ + 2Н₂

              глюкоза        пировиноградная           уксусная 

                                        кислота                       кислота

 

Метановое брожение. Облигатно-анаэробные метанобразующие бактерии Methanobacterium omelianskii сбраживает органические кислоты и спирты в метан (СН₄) и СО₂. метанобразующие бактерии широко применяются для получения метана из различных растительных отходов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Таким образом, брожение - это процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе брожения в результате сопряженных окислительно-восстановительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов, и образуются химические соединения, которые микроорганизмы используют для биосинтеза аминокислот, белков, органических кислот, жиров и других компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты брожения. В зависимости от их характера различают брожение спиртовое, молочнокислое, масляно-кислое, пропионово-кислое, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое и другие виды. Характер брожения, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление брожения зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых брожение протекает: pH, аэрация, субстрат и другие.