Ферментация в строгом смысле слова относится к тем энергетическим процессам, при которых отщепленный от субстрата водород в конечном итоге передается органическим акцепторам. Кислород не участвует в процессах брожения. Л. Пастер назвал брожение жизнью без воздуха.
Причины брожения были установлены в середине XIX века Л. Пастером, который показал, что в аэробных условиях дрожжи производят примерно в 20 раз больше клеточного материала из данного количества сахара, чем в анаэробных условиях. Он также обнаружил, что кислород подавляет брожение. Этот эффект, известный как эффект Пастера, с тех пор приобрел известность как один из классических примеров регуляции обмена веществ.
В 1896-1897 годах было открыто «бесклеточное брожение» — брожение, вызываемое молотыми прессованными пивными дрожжами. Это был первый сложный биохимический процесс, осуществляемый вне клетки. Позже было установлено, что дрожжам необходим неорганический фосфат для переваривания глюкозы. Другими словами, ферментация — это процесс превращения соединений углерода как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Большинство аэробных микроорганизмов во время дыхания окисляют органические питательные вещества до СО и воды. В связи с тем, что СО
2
молекул достигается высшая степень окисления углерода, его называют полным окислением, и этот тип дыхания отличается от неполного окисления, при котором частично окисленные органические соединения высвобождаются в виде продуктов метаболизма. Конечными продуктами неполного окисления могут быть уксусная кислота, лимонная кислота и ряд других соединений. Эти продукты аналогичны продуктам, образующимся при анаэробном брожении (масляная кислота, пропионовая кислота и др.); неполное окисление также называют окислительным брожением.
1. Уксуснокислое брожение
Уксусная кислота вырабатывается уксуснокислыми бактериями, которые окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты (уксуса), выделяя небольшое количество энергии:
Этиловый спирт>
уксусная кислота + H2O + 494 кДж/моль.
Процесс уксусной кислоты представляет собой типичное окисление (ферментацию) в аэробных условиях, поскольку уксусная кислота далее окисляется бактериями до углекислого газа и воды.
Возбудителем уксуснокислого брожения является Mycoderma aceti (уксусный гриб). Уксусное брожение известно с древних времен. Например, если оставить на воздухе емкость с виноградным вином или пивом, то через день-два на поверхности напитков появляется сероватый налет, а пиво и вино становятся мутными и кисловатыми.
Уксусные бактерии (рис. 1) — короткие неспорообразующие грамотрицательные бактерии, расположенные цепочками. Могут быть обнаружены как подвижные, так и неподвижные штаммы. Бактерии являются строгими аэробами и процветают только на поверхности субстрата, образуя пленку, которая мгновенно разрушается при легком встряхивании жидкости. Все виды (25) уксуснокислых бактерий объединены в род Acetobacter (далее Acet.). Характеристики некоторых видов приведены ниже.
Рис. 1. Уксуснокислые бактерии: а — Acet. уксус; б — ацет. пастерурианум
Ацет. aceti (см. рис. 1, а) — короткая грамотрицательная палочка, неподвижная, спор не образует. Он расположен цепочками и выдерживает до 11% спирта в среде. Создает пленку на поверхности пива. Оптимальная температура для роста 34°С. Окрашивается йодом в желтый цвет.
Ацет. pasteurianum похож по форме на Acet. ацети. Образует сухую морщинистую пленку на поверхности напитков. Окрашивается йодом в синий цвет (см. рис. 1, б).
Ацет. Orleanense процветает на слабых растворах виноградного вина. Создает шелковистое, достаточно твердое покрытие. Он выдерживает до 12% спирта в субстрате и образует до 9,5% уксусной кислоты. Он используется для приготовления уксуса из виноградного вина в медленном процессе.
Ацет. schuetzenbachii используется в быстром (немецком) методе уксуса. Его выращивают на буковой щепе, опрысканной разбавленным и подкисленным этиловым спиртом. Бактериальные клетки хорошо закрепляются на поверхности чипа и образуют сплошную пленку. Накапливается до 11,5% уксусной кислоты.
Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе. Они встречаются на спелых фруктах, ягодах, квашеных овощах, вине, пиве и квасе.
Уксус (уксусная кислота) является широко потребляемым продуктом, особенно людьми, живущими в жарком климате. Наиболее распространены два метода производства уксуса: орлеанский (французский) и немецкий (быстрый).
Французский метод позволяет получить уксус высочайшего качества. В этом методе уксуснокислое брожение проводят на виноградных винах, которые помещают в бродильные чаны. Чаны наполняют смесью вина и уксуса (4% спирта и 2% уксусной кислоты).
Этот процесс продолжается в течение нескольких недель, пока не будет получен 5% уксус. 6%. За это время успевают сформироваться ароматические соединения, или «букет», в результате чего получается высококачественный уксус, точно так же, как улучшается качество вина путем выдержки в погребах после ферментации. Ферментация должна быть завершена до того, как будет израсходован весь спирт, поскольку бактерии могут окислять уксусную кислоту до CO.
2
и Х.
2
О.
Длительность процесса увеличивает стоимость уксуса.
Принцип быстрого процесса, то есть процесса немецкого уксуса, заключается в создании максимально возможной поверхности для окисления спирта. Поверхность изготовлена из неплотно скрученной буковой стружки, помещенной в ковш (рис. 2) и смоченной подкисленным спиртом. Этот раствор заливается в чан сверху и медленно стекает вниз. Спирт окисляется до уксусной кислоты, которая собирается на дне и утилизируется. Столовый уксус, полученный этим способом, должен содержать около 4,5% уксусной кислоты.
Рисунок 2. Бродильный чан для производства уксуса. Выращивание на субстрате в питательном потоке: 1 — лотки; 2 — аппарат для розлива браги; 3 — термометры; 4 — фальш-дно; 5 — воздушник; 6 — кран; 7 — жидкое стекло; 8 — стружка
Чаны (генераторы), которые могут работать непрерывно в течение нескольких лет, часто являются рассадником уксусообразующих вредителей — угрей — мелких, длиной 1,2 мм, червей, питающихся уксуснокислыми бактериями. Уксус мутнеет и имеет неприятный вкус, поэтому его необходимо пастеризовать и процедить.
Уксус сейчас производится на заводах под действием силы тяжести в ферментерах (закрытых герметичных емкостях). Аэробные условия в ферментерах создают путем подачи стерильного воздуха и перемешивания среды. Процесс глубокой ферментации предотвращает загрязнение, улучшает качество продукта и увеличивает выход.
Самопроизвольный рост уксуснокислых бактерий в вине, пиве, квасе, безалкогольных напитках и других продуктах приводит к их порче: они становятся кислыми, мутными и скользкими.
Помимо этилового спирта, уксуснокислые бактерии могут окислять и другие спирты, например, пропиловый спирт до пропионовой кислоты и бутиловый спирт до масляной кислоты. Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют глюкозу до глюконовой кислоты, и происходит глюконовое брожение.
Глюконовая кислота используется в медицине, ветеринарии и фармацевтической промышленности. Многие виды аспергилл и пеницилл также продуцируют глюконовую кислоту. Например с асп. niger этот процесс может быть осуществлен с высокой эффективностью даже в 30,35%-ных растворах глюкозы, если выделившуюся глюконовую кислоту нейтрализовать карбонатом кальция.
Особый интерес представляет окисление некоторыми уксуснокислыми бактериями многоатомных спиртов, полученных из сахаров, например сорбита, до сорбозы.
При использовании бактерий Gluconobacter oxydans (рис. 3) из растворов, содержащих до 30% сорбита, получают сорбозу с эффективностью 90%. Сорбоза используется для производства аскорбиновой кислоты (витамина С).
Рисунок 3. Gluconobacter oxydans
уксусная кислота лимонная кислота бактериальное брожение
Важно окислять глицерин уксусными бактериями до диоксацетона, ценного продукта для химической промышленности.
2) лимоннокислое брожение
До 1890-х годов лимонную кислоту получали в виде кристаллов из сока цитрусовых. Напротив, выход лимонной кислоты был 7, выход был только 7. 9%, что не было экономически оправдано.
После открытия лимонной кислоты в грибных культурах были заложены основы ее промышленного производства. Один вид гриба Asp. niger прекрасно растет на среде с исходным рН 2,5. 3.5 и производит большое количество лимонной кислоты. Низкий начальный уровень pH позволяет избежать бактериального загрязнения.
Промышленное производство лимонной кислоты до сих пор часто осуществляется нестерильным, поверхностным способом в лотках. В ферментационные камеры помещали алюминиевые кюветы размерами 2 х 2,5 х 0,15 м, заполненные на высоту 8 см раствором мелассы и инокулированные спорами грибов. Инкубируют при 30°С в течение 8-11 дней. Выход лимонной кислоты весьма значителен. После высвобождения лимонной кислоты под грибной мицелий можно снова поместить свежее питательное вещество. Лимонную кислоту осаждают из раствора добавлением карбоната кальция, затем перекристаллизовывают и экстрагируют серной кислотой.
При отсутствии сахара в Asp. niger может окислять лимонную кислоту до щавелевой и уксусной кислот, CO
2
и Х.
2
О.
Лимонная кислота теперь также производится в глубоком процессе.
Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, на кухне, в медицине и т.д.
Ферментация (также брожение, брожение) — это в самом строгом смысле анаэробный метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы, без окисления в чистом виде. Ферментация не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию; это только позволяет продолжаться гликолизу (процесс, который дает две молекулы АТФ на молекулу глюкозы), пополняя восстановленные коферменты. В результате брожения образуются этанол, углекислый газ, другие продукты, а затем молочная кислота, уксусная кислота, этилен и другие восстановленные метаболиты.
Аэробы — это микроорганизмы, которые используют атмосферный кислород в качестве конечного акцептора электронов (водорода) в биологическом окислении.
Уксусное брожение — это брожение, при котором образуется уксусная кислота; вызывается некоторыми микроорганизмами в аэробных условиях.
Ссылка
1) Азаров В.Н. Основы микробиологии и санитарии, Москва: Экономика, 1986, — 452 с.
2. Жарикова Г.Г. Микробиология пищевых продуктов. Санэпид и гигиена.- М: Академия, 2005.- 304с.
3.Микробиология / Под ред. И.Л. Дикий.- Киев: Профессионал, 2004.- 623с.
4. Микробиология, гигиена и санитария в торговле / Под ред. Т.П. Трушин – Ростов н/Д: Феникс, 2000. – 320 с.
5. Основы микробиологии, вирусологии и иммунологии / под ред.А.А. Воробьева – М: Высшая школа, 2001 – 224 с.
