Пектиновое брожение

  Пектиновое брожение — происходит под воздействием пектолитических ферментов микроорганизмов с образованием пектина, ксилозы, галактозы и арабинозы, уксусной кислоты, углекислого газа и водорода. Пектиновое брожение играет большую роль в процессе разложения растительных остатков и дозревания плодов (овощей). Аэробные процессы - биохимические процессы, протекающие с участием кислорода воздуха. Большинство аэробных микроорганизмов окисляет органические вещества до углекислого газа и воды, но могут оставаться и вещества не вполне окисленные. Аэробные процессы иногда называют процессом окислительного брожения. Уксуснокислое брожение - окисление спирта в уксусную кислоту. Этот процесс известен давно. Если оставить сосуд с вином на воздухе, через несколько дней можно получить окисленное мутное вино (винный уксус). Возбудители брожения - грамотрицательные палочковидные, бесспоровые, строго аэробные бактерии. Оптимум их развития + 30оС. Некоторые из них способны синтезировать витамины группы В. Однако многие уксуснокислые бактерии сами нуждаются в витаминах. Встречаются уксуснокислые бактерии на поверхности зрелых плодов и ягод, в вине, пиве, квасе. На уксуснокислом брожении основано промышленное получение уксуса для пищевых целей. Сырьем для уксуса является уксусно-спиртовой раствор с питательными солями (для бактерий) или разбавленное подкисленное вино. При недостатке спирта может произойти переокисление уксусной кислоты до углекислого газа и воды. Самопроизвольное развитие уксуснокислых бактерий в вине, пиве, квасе, напитках приводит к их прокисанию, помутнению, ослизнению, неприятному запаху и вкусу. Лимоннокислое брожение - окисление глюкозы грибами до лимонной кислоты. Побочные продуты брожения - органические кислоты (янтарная, яблочная, щавелевая), углекислый газ и вода. Сырье - меласса (черная патока), содержащая до 15% сахара. Лимонную кислоту применяют в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, медицине. 

 Пектиновые  вещества входят в состав тканей растений. Являясь составной частью клеточной оболочки, они как бы склеивают клетки между собой, образуя межклеточные пластинки. Они находятся в значительном количестве в некоторых органах растений, например, в листьях, в мякоти плодов, ягод, корнеплодов, в кожице цитрусовых и во многих других.

 Пектиновые  вещества в природе минерализуются микроорганизмами, обладающими ферментами протопектиназой (пектазой) и полигалактуроновой (пектиназой). Фермент протопектиназа расщепляет в пектине связи между  метоксилированной полигалактуроновой кислотой и связанным с ней арабаном. Освободившаяся при этом метоксилированная полигалактуроновая кислота (растворимый пектин) под действием пектинэстеразы гидролизуется с образованием метилового спирта и полигалактуроновой кислоты.

 Полигалактуроновая  кислота подвергается также действию другого фермента - полигалактуроназы микроорганизмов (бактерий и плесневых грибов). Этот фермент гидролизует гликозидные связи между остатками галактуроновой кислоты, не содержащими метоксильных групп. Галактуроновые кислоты наряду с другими соединениями гидролизуются и используются микроорганизмами в качестве источника углерода. В результате гидролиза пектина образуются продукты: галактуроновая кислота, галактоза, арабиноза, ксилоза, уксусная кислота и метиловый спирт. Некоторые из них – моносахариды – используются этими же пектинразлагающими микроорганизмами, так арабиноза сбраживается ими до масляной кислоты и углекислоты, а из галактозы наряду с масляной и угольной кислотами выделяется водород (Емцев, Мишустин, 2006).

 Среди пектинразлагающих микроорганизмов известны бактерии вида Clostridium pectinovorum, которые вызывают маслянокислое брожение пектиновых веществ (описаны Бейеринком в 1902 г.). Они представляют собой сравнительно крупные, подвижные, грамположительные палочки длиной 10-15 мкм и шириной 0,8 мкм. В клетках образуются споры, которые располагаются на утолщенных концах. Относятся эти бактерии к облигатным анаэробам. При сбраживании пектиновых веществ они накапливают масляную и уксусную кислоты, водород и углекислый газ. При соответствующих условиях брожения могут вырабатывать, кроме основных продуктов брожения, бутиловый спирт и ацетон.

 Возбудителем  пектинового брожения является также Clostridium felsineum. Микроорганизм выделен  итальянским исследователем Карбонэ  в 1916 г. из стеблей конопли. По форме клеток – споровая палочка одиночная или соединенная в короткие цепочки размерами 3/ 5 * 0,3 мкм. Споры располагаются на конце (барабанная палочка), но иногда бывают и в центре клетки. Культура обладает сравнительно высоким температурным оптимумом. Она сбраживает пектиновые вещества с образованием преимущественно уксусной кислоты и совершенно не продуцирует масляной.

 Кроме описанных представителей, известны еще и некоторые другие, которые, разлагая пектиновые вещества, сбраживают продукты гидролиза (арабинозу, галактозу и др.) по типу маслянокислого или ацетонобутилового брожения.

 Брожение  пектиновых веществ нашло применение в хозяйственно-технической деятельности человека, в частности, для получения  прядильных волокон из льна, конопли  и других волокнистых растений путем мочки их в естественных водоемах.

 Для ускорения и улучшения процесса освобождения волокон мочку сырья  производят в бассейнах. При этом способе применяют специально выращенные культуры бактерий. Процесс ведут  при температуре 26-28^оС в течение 5 суток вместо 1,5-2 недель в естественных водоемах.

 Анаэробные  бактерии рода Clostridium были открыты Л. Пастером в 1861 г. Ученый обнаружил, что  некоторые представители данного  рода сбраживают углеводы с образованием масляной кислоты. Сейчас среди представителей Clostridium насчитывается более 80 видов бактерий. Они имеют палочковидные клетки, обычно подвижны, передвигаются при помощи перитрихальных жгутиков. У видов рода образуются споры, имеющие овальную или сферическую форму; они терморезистентны. Как правило, споры раздувают клетку. Грамположительные. Облигатные анаэробы (Богданов и др., 1968).

 Род включает психрофильные, мезофильные  и термофильные виды. Температурный  оптимум для роста большинства  мезофильных видов лежит в  диапазоне 30-40^оС. Для термофильных видов температурный оптимум составляет 60-75^оС. Оптимальная реакция среды для клостридий - нейтральная или слабощелочная. Хемоорганогетеротрофы. Клостридии сбраживают сахара, многоатомные спирты, аминокислоты, пурины и пиримидины, другие органические соединения. Ряд видов способен к фиксации молекулярного азота атмосферы. Места обитания клостридий - почва, водоемы, а также пищеварительный тракт человека и животных.

 Все виды рода объединены в группы в  зависимости от способности сбраживать те или иные органические соединения.

 Первая  группа - сахаролитические виды Clostridium, сбраживающие главным образом растворимые  углеводы, крахмал или пектин с  образованием бутирата, ацетата, СО₂ и Н₂. Брожение при участии некоторых микроорганизмов группы приводит к образованию из сахаров дополнительных нейтральных соединений (бутанола, пропанола, ацетона, небольших количеств этанола). В группу входят бактерии, вызывающие маслянокислое и ацетонобутиловое брожения: C.butyricum, C. pasteurianum, C. tyrobutyricum, C. butylicum, C acetobutyricum и др. Возможно, к ней можно отнести и ряд видов – высокоспециализированных агентов анаэробного разрушения целлюлозы, причем главные конечные продукты брожения - этанол, ацетат и сукцинат, СО₂ и Н₂.

 Вторая  группа - протеолитические виды, сбраживающие аминокислоты. Обладают сильными протеолитическими  свойствами и способны к интенсивному гидролизу белков с последующим  сбраживанием аминокислот. Рост микроорганизмов в средах с белком сопровождается образованием аммиака, СО₂, Н₂, жирных кислот, и большого количества летучих соединений с неприятным запахом. К группе относятся виды: C. sporogenes, C. perfringens, C. histoliticum, C. botulinum и др. Многие представители рода Clostridium, сбраживающие аминокислоты, способны также к сбраживанию углеводов.

 Третья  группа - виды сбраживающие азотсодержащие циклические соединения - пурины и  пиримидины. Пурины (гуанин, гипоксантин, ксантин и др.) под влиянием C. acidi- urici, C. cylindrosporum превращаются в аммиак, ацетат и СО₂. C. uracilicum, C. oroticum сбраживают пиримидины, при этом урацил распадается до в- аланина, СО₂ и NН₃, а оротовая кислота- до уксусной кислоты, СО₂ и NН₃.

 Четвертая группа включает всего один вид - C. kluyveri, сбраживающий смесь этанола с ацетатом до бутирата и капроновой кислоты, а также небольшого количества водорода.

 Получение витамина В₁₂ с помощью пропионовокислых бактерий

 В настоящее  время для получения витамина В₁₂ используют следующие микроорганизмы Prop. freudenreichii ATCC 6207, Prop. shermanii ATCC 13673, Prop. shermanii BKM-103 и их варианты и мутанты. Наибольший интерес представляют разложение клетчатки.

 Распространение пектиновых бактерий

 Наиболее  распространенным углеродным соединением в природе является целлюлоза. Целлюлоза составляет от 15 до 60% массы растений, в хлопке и льне ее содержание достигает 80-95%.

 Разложение  целлюлозы микроорганизмами является самым большим по масштабам естественным деструкционным процессом, звеном круговорота углерода, обеспечивающего возврат фиксированного в процессе фотосинтеза углерода в атмосферу в виде СО₂.

 Глобальная  роль микроорганизмов в этом процессе определяется тем, что ни животные, ни растения, как правило, не способны разлагать целлюлозу. Трансформация целлюлозоразрушающих соединений в природе происходит в разных условиях аэрации, температуры, рН среды.

 В природе  разложение целлюлозы - это сложный, комплексный процесс, происходящий при участии сообщества микроорганизмов, в состав которого входят микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, и микроорганизмы-спутники, использующие продукты распада.

 В анаэробных условиях разложение целлюлозы осуществляется анаэробными бактериями рода Clostridium. При этом образуется много органических кислот (уксусная, янтарная, молочная, муравьиная) этиловый спирт, углекислый газ и водород.

 В отличие  от анаэробного разложения целлюлозы, который осуществляется только бактериями, в аэробных условиях клетчатку разлагают  многие микроорганизмы разных систематических  групп: бактерии, миксобактерии, актиномицеты, грибы.

 В кислых лесных почвах главная роль в превращении  целлюлозы принадлежит грибам (р. Trichoderma, р. Aspergillus, р. Penicillium и др., базидиальные грибы).

 В почвах под травянистой растительностью, в степных и луговых ландшафтах в разложении целлюлозы помимо грибов участвуют миксобактерии, актиномицеты, вибрионы р.Cellvibrio.

 Разложение  целлюлозы до глюкозы микробными ферментами протекает в несколько  стадий и требует участие сложного ферментного комплекса, включающего не менее четырех ферментов.

 В анаэробных условиях глюкоза сбраживается в  основном по типу маслянокислого брожения. В аэробных условиях глюкоза окисляется микроорганизмами до оксикислот, а  затее до конечных продуктов - углекислого  газа и воды.

 Этот фермент гидролизует гликозидные связи между остатками галактуроновой кислоты, не содержащими метоксильных групп. Галактуроновые кислоты наряду с другими соединениями гидролизуются и используются микроорганизмами в качестве источника углерода. В результате гидролиза пектина образуются продукты: галактуроновая кислота, галактоза, арабиноза, ксилоза, уксусная кислота и метиловый спирт. Некоторые из них – моносахариды – используются этими же пектинразлагающими микроорганизмами, так арабиноза сбраживается ими до масляной кислоты и углекислоты, а из галактозы наряду с масляной и угольной кислотами выделяется водород. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Список  используемой литературы  

 1.         Алешукина А.В. Медицинская микробиология. Ростов - на – Дону, «Феникс», 2003.-472 с.

 2.         Беркли Р., Э. Бок, Д. Бун и др.; Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли и С. Уильямса. Пер. с англ. Г.А. Заварзина. Определитель бактерий Берджи -9- е изд.- Москва, Мир, 1997.-432 с.

 3.         Богданов В.М., Баширова Р. С., Кирова К. А., Корнеев И.П., Кострова Е.И., Петржиковская Л.М., Панкратов А.Я., Свитыч К.А. Техническая микробиология пищевых продуктов. Издательство пищевая промышленность. Москва, 1968.- 743 с.

 4.         Градова Н.Б., Бабусенко Е.С., Горнова И.Б., Гусарова Н.А. Лабораторный практикум по общей микробиологии. Москва, Дели принт, 2001.-144 с.

 5.         Емцев В.Т., Мишустин Е.Н.. Микробиология 6-е издание, исправленное. Дрофа, Москва, 2006. - 444 с.