Люди уже давно получают и используют продукты природного процесса брожения в своих интересах. Квашеные овощи, вино, сыр, кисломолочные продукты – все это результат жизнедеятельности бактерий для брожения, которые, вкладывая собственную энергию в ходе ряда химических реакций-превращений, одни органические соединения преобразуют в другие. Новообразованная органика имеет для человека особую ценность.
Брожением называется анаэробный процесс превращения безазотистых органических веществ (главным образом углеводов) микроорганизмами, при котором происходит накопление продуктов неполного окисления (спиртов, органических кислот, углеводов и др.) и который сопровождается выделением энергии.
Биологическое значение брожения заключается в образовании энергии для осуществления жизнедеятельности микроорганизмов подобно дыханию животных и растений.
В зависимости от превалирующих или особо типичных продуктов выделяют:
- спиртовой бродильный процесс, которое осуществляется мукоровыми грибами и дрожжами;
- молочнокислый тип брожения — молочнокислыми бактериями;
- маслянокислый тип бродильного процесса — клостридиями;
- муравьинокислый тип брожения — энтеробактериями;
- лимоннокислый тип брожения — грибами;
- пропионовокислая реакция брожения — пропионовокислые бактериями
- бутанол-ацетоновый вид брожения — клостридиями;
- метановый вид брожения – особыми метановыми бактериями.
Биологическая суть реакции брожения была открыта в середине XIX в. Луи Пастером, который определил брожения как «жизнь без кислорода».
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности – бактерии, дрожжи и плесени.
Широко применяются в качестве возбудителей брожения при производстве спирта и пива, в виноделии, при производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста и в составе кефирного грибка – для производства кефира, кумыса и айрана.
Ранее зигомицеты называли плесневыми грибами. Они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, протеолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоваренной – при частичной замене солода несоложеным зерном и так далее.
Бактерии в бродильной промышленности используют в качестве возбудителей брожения:
- молочнокислого — молочнокислые бактерии;
- уксуснокислого — уксуснокислые;
- маслянокислого — маслянокислые;
- ацетоно-бутилового—ацетоно-бутиловые.
Культурные молочнокислые бактерии используют в производстве молочной кислоты путем брожения, в хлебопечении и спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту.
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение может применяться для подкисления дрожжевого сусла. Молочная кислота стимулирует развитие дрожжей и подавляет развитие посторонних микроорганизмов.
Дикие молочнокислые бактерии кроме молочной кислоты образуют ряд летучих кислот, неблагоприятно влияющих на ход технологического процесса, поэтому в бродильной промышленности с ними ведут борьбу.
К молочнокислым бактериям относятся бактерии лейконостоки (Leuconostoc mesenterioides и Leuconostoc agglutinans), часто встречающиеся в мелассе, перерабатываемой на спиртовых и дрожжевых заводах; в производственной практике их называют клек. Эти бактерии имеют форму очень короткой палочки, Почти кокка, размером 1,5 — 1,3х1,4 — 1,2 мкм ( Микрометр, или микрон (мкм) = 1 • 10 – 6 м). Чаще их обнаруживают в виде диплококков или коротких цепочек — стрептоформ. Лейконостоки спор не образуют, но легко образуют капсулу и поэтому весьма устойчивы к нагреванию, выдерживая температуру до 90°С.
Лейконостоки могут причинить большой ущерб в производстве: они расщепляют сахарозу на фруктозу, и глюкозу, а последнюю превращают в сложное соединение —декстран. Зараженное лейконостоком мелассное сусло за несколько часов превращается в слизистую массу, засоряющую трубопроводы и вентили. Лейконостоки вызывают также закисание мелассы, превращая содержащуюся в ней сахарозу в молочную и другие кислоты.
Уксуснокислые бактерии используют в бродильной промышленности для получения уксуса (раствор уксусной кислоты).
В спиртовом производстве уксуснокислое брожение является вредным процессом, так как окисление спирта приводит к уменьшению выхода его, а образующаяся уксусная кислота угнетает развитие дрожжей. В пивоварении уксуснокислые бактерии ухудшают качество пива, могут вызвать порчу его.
Окислять уксуснокислые микроорганизмы способны не только этиловый спирт и глюкозу. Такие бактерии превращают пропиловый спирт в пропиловую кислоту, а бутиловый — в масляную.
Такие микроорганизмы не способны окислять метиловый спирт, а также высшие спирты. Представляют собой такие бактерии в большинстве случаев палочковидные короткие клетки длиной 2-1.5х1.0. Особенностью этих микроорганизмов является то, что они не образуют спор. По форме и величине такие клетки могут значительно различаться, в зависимости от разновидности, возраста, условий питательной среды и пр.
Оптимальной температурой реакции уксуснокислого брожения являются 15-34 °С. При охлаждении среды до 12-15 °С развитие таких микроорганизмов замедляется. Сами бактерии при таких условиях приобретают вид коротких толстых палочек. При повышении температуры до 35-45 °С некоторые виды уксуснокислых бактерий могут принимать уродливые формы и становиться похожими на прозрачные нити со вздутиями.
При наличии в среде большого количества кислот — винной, яблочной и пр., спирта, а также солей, в ней могут появляться гипертрофированно большие микрооганизмы этого типа. Также в таких условиях у уксуснокислых бактерий обычно начинает осклизняться оболочка. В некоторых случаях этот процесс принимает настолько серьезный характер, что в среде появляются зооглеи. При этом сами бактерии в таких слизистых скоплениях обычно достаточно рассеяны.
Маслянокислые бактерии сбраживают сахар в масляную кислоту.
Маслянокислое брожение используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяются в качестве ароматических веществ. В спиртовом производстве маслянокислые бактерии являются вредителями, так как масляная кислота подавляет развитие дрожжей и инактивирует фермент амилазу.
В качестве побочных продуктов при брожении образуются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт и уксусная кислота. Маслянокислые бактерии – подвижные, довольно крупные палочки, строгие анаэробы, образуют термоустойчивые споры. Оптимальная температура развития 30-40 °С. Бактерии чувствительны к кислой среде (оптимум рН 6,9-7,3).
Маслянокислые бактерии относятся к роду Клостридиум. Многие из них способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные углеводы: декстрины, крахмал, пектиновые вещества и др.
Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они постоянно обитают в почве, илистых отложениях на дне водоемов, скоплениях разлагающихся растительных остатков. Встречаются маслянокислые бактерии и в различных пищевых продуктах.
Маслянокислое брожение приносит значительный ущерб народному хозяйству, вызывая гибель картофеля и овощей, вспучивание сыра, порчу консервов (бомбаж), прогоркание масла и др. Маслянокислые бактерии могут вызвать также порчу заквашенных овощей – обильное выделение газов и острый запах масляной кислоты придают продукту неприятный вкус и запах.
Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты. Сырьем служит дешевое сахаросодержащее сырье: картофель, отходы крахмало-паточного производства и др.
Читайте также:
Особым видом маслянокислых бактерий являются ацетоно-бутиловые бактерии. Они превращают крахмал и другие углеводы в ацетон, бутиловый и этиловый спирты.
Ацетоно-бутиловые бактерии используют в качестве возбудителей брожения в ацетоно-бутиловом производстве.
Вид ацетоно-бутилового брожения сходен с маслянокислым, но при нем образуется значительно больше бутилового спирта и ацетона. Кроме того, в процессе ацетонобутилового брожения накапливаются этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются СО2 и водород. Возбудители брожения – спорообразующие подвижные палочки, анаэробы.
В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. Оба эти продукта брожения широко используют в химической промышленности.
Процесс размножения микроорганизмов разделяют на четыре основные фазы:
- лаг-фаза,
- фаза логарифмического роста,
- стационарная фаза,
- фаза затухания.
Период, непосредственно следующий за внесением посевного материала в питательную среду, называется фазой задержки, или лаг-фазой. В этой фазе при посеве микроорганизмов в питательную среду клетки не сразу начинают размножаться; некоторое время они находятся в питательной среде и не размножаются. В лаг-фазе происходит процесс приспособления микроорганизмов к новой среде и, по-видимому, микроорганизмы приспосабливают среду к своим потребностям. Если в очень благоприятную по составу питательную среду внесены молодые, только что делившиеся клетки, то лаг-фаза может отсутствовать.
Следующий период — это фаза логарифмического роста. В этой фазе клетки хорошо снабжены питательными веществами и не накопили еще вредных продуктов обмена.
Размножение микроорганизмов в этой фазе может быть определено прогрессией, подчиняющейся закону сложных процентов.
Период, называемый фазой логарифмического роста, фактически характеризуется не логарифмическим, а экспоненциальным уравнением, в котором время стоит в показателе степени (экспоненте). Следовательно, эту фазу правильнее бы назвать экспоненциальной.
По мере исчерпания питательных веществ среды и накопления продуктов обмена размножение микроорганизмов замедляется, некоторые клетки перестают размножаться и отмирают. Наступает такой момент, когда количество образующихся и отмирающих клеток становится равным. Этот период называется стационарной фазой.
Вслед за ней наступает фаза затухания, в которой отмирание клеток преобладает над размножением. В этой фазе все больше клеток теряет жизнеспособность и погибает из-за отсутствия питательных веществ и накопления в среде продуктов обмена.
Для микроорганизмов, обладающих активными протеолитическими ферментами, например дрожжей, фаза затухания сопровождается автолизом — распадом белков мертвых клеток под действием собственных ферментов. Применяют и метод непрерывного размножения (культивирования) микроорганизмов, техническое оформление которого сводится к тому, что культура находится в специальном сосуде, куда непрерывно поступает свежая питательная среда и с такой же скоростью вытекает жидкость вместе с размножившимися клетками.
Непрерывное культивирование микроорганизмов позволяет выращивать их в постоянных, установившихся условиях, устраняет лаг-фазу в развитии микроорганизмов, в результате чего сокращается общая длительность процесса размножения.
Частые вопросы
Какие бродильные бактерии существуют и каковы их основные характеристики?
Бродильные бактерии включают в себя различные виды, такие как Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus и др. Они являются анаэробными, то есть размножаются в отсутствие кислорода, и способны превращать сахара в кислоты, спирт и другие вещества.
Каково значение бродильных бактерий для человека?
Бродильные бактерии играют важную роль в пищеварении, помогая усваивать питательные вещества, поддерживать здоровую микрофлору кишечника и укреплять иммунную систему. Они также используются в производстве йогуртов, кваса, сыра и других продуктов.
Полезные советы
СОВЕТ №1
Изучите различные виды бродильных бактерий и их влияние на процессы брожения. Это поможет вам лучше понять их значение для производства пищевых продуктов и напитков.
СОВЕТ №2
Изучите методы размножения бродильных бактерий и их использование в промышленности. Это позволит вам лучше понять, какие продукты можно получить благодаря деятельности этих микроорганизмов.
Загрузка...
