какие микроорганизмы вызывают молочнокислое брожение
ТЕМА 4. АНАЭРОБНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ (БРОЖЕНИЕ)
Термин «брожение» также используется в более широком смысле для обозначения бурного роста микроорганизмов в соответствующей среде. При использовании в этом смысле не делается различия между аэробным и анаэробным метаболизмом.
Брожение часто используется для приготовления или сохранения пищи. Говоря о брожении, обычно имеют в виду брожение сахара (превращение его в спирт) с использованием дрожжей, но, к примеру, при производстве йогурта используются другие виды брожения.
Использование брожения человеком обычно предполагает применение определенных видов и штаммов микроорганизмов. Вина иногда улучшают с использованием процессавзаимного брожения.
Молочнокислые бактерии подразделяют на 2 группы — гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии (например, Lactobacillus delbrückii) расщепляют моносахариды с образованием двух молекул молочной кислоты в соответствии с суммарным уравнением:
При молочнокислом брожении превращение углеводов, особенно на первых этапах, близко к реакциям спиртового брожения, за исключением декарбоксилирования пировиноградной кислоты, которая восстанавливается до молочной кислоты за счёт водорода, получаемого от НАД-Н. Гомоферментативное молочнокислое брожение, используется для получения молочной кислоты, при изготовлении различных кислых молочных продуктов, хлеба и в силосовании кормов в сельском хозяйстве. Гетероферментативное молочнокислое брожение происходит при консервировании различных плодов и овощей путём квашения.
Молочнокислое брожение представляет собой разложение сахара под действием молочнокислых бактерий с образованием молочной кислоты. В общем суммарном виде его можно представить следующим уравнением:
Различные виды молочнокислых бактерий в равных условиях продуцируют разное количество кислоты, что объясняется их неодинаковой кислотоустойчивостью. Палочковидные бактерии образуют больше кислоты, чем шаровидные (кокки).
Молочнокислые бактерии способны сбраживать только моно- и дисахариды и совсем не сбраживают крахмал и другие полисахариды, так как не выделяют соответствующих ферментов. Некоторые из этих бактерий вырабатывают антибиотические вещества, действующие против возбудителей кишечных заболеваний.
Молочнокислые бактерии широко распространены в природе, они постоянно встречаются в почве, на различных растениях, на плодах и овощах, в молоке и т. д.
Наибольшее значение имеют следующие молочнокислые бактерии: молочнокислый стрептококк, болгарская, ацидофильная, сырная, дельбрюковская, огуречная, капустная палочки и др.
Болгарская палочка нередко образует длинные цепочки, выделена из болгарской простокваши. Представляет собой неподвижную, бесспоровую палочку. Наилучшая для ее развития температура 40-45 °С, температурный минимум 20 °С. В молоке образует до 3,5%-ной молочной кислоты.
Сырная палочка имеет температурный оптимум около 40 °С, используется в сыроделии.
Дельбрюковская палочка представляет собой одиночные или собранные в короткие цепочки клетки, не образующие спор. Температурный оптимум 45 °С. Образует в среде до 2,5%-ной кислоты. Применяется для промышленного получения молочной кислоты, а также в производстве хлебных заквасок.
Огуречная и капустная палочки развиваются при квашении овощей. Молочнокислое брожение имеет важное промышленное значение. Оно применяется в производстве молочнокислых продуктов, в хлебопечении, в процессах квашения овощей и силосования кормов, при изготовлении кваса, в производстве молочной кислоты и т. д.
Молочнокислое брожение в хлебопечении позволяет предотвратить развитие вредных бактерий в тесте, вызывающих картофельную болезнь (тягучесть) хлеба, а также способствует улучшению вкусовых свойств хлеба.
Молочная кислота, образующаяся в результате этого брожения, придает особый вкус квашеным овощам и препятствует развитию гнилостных бактерий.
При маслянокислом брожении происходит процесс разложения сахара под действием бактерий в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода. Оно протекает по уравнению:
В качестве побочных продуктов при этом получаются этиловый и бутиловый спирты, уксусная кислота и др. Такое брожение может протекать в молоке и молочных продуктах, придавая им неприятные вкус и запах, характерные для масляной кислоты. Маслянокислые бактерии, вызывающие это брожение, представляют собой перитрихиально жгутованные подвижные, спорообразующие палочки, температурный оптимум их развития находится в пределах 30-40 °С. Они являются строгими анаэробами и могут размножаться только при полном отсутствии кислорода воздуха или при очень незначительном его содержании. Споры, образуемые маслянокислыми бактериями, весьма устойчивы к неблагоприятным воздействиям, выдерживают кипячение в течение нескольких минут и погибают только при длительной стерилизации. Располагаются они либо в середине, либо ближе к одному из концов клетки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки.
В народном хозяйстве маслянокислое брожение может принести большой вред, так как маслянокислые бактерии способны вызывать массовую гибель картофеля и овощей, прогоркание молока и вспучивание сыров, порчу консервов и т. д.
На маслянокислые бактерии подавляюще действует кислая реакция среды, поэтому там, где развиваются молочнокислые бактерии, выделяющие молочную кислоту, жизнедеятельность маслянокислых бактерий приостанавливается. Если же в заквашенных овощах медленно накапливается молочная кислота, то они могут быть испорчены в результате размножения в них маслянокислых бактерий. Эти бактерии вызывают порчу пастеризованного молока, в котором исключено молочнокислое брожение, а также сырого молока при длительном хранении его на холоде, когда деятельность молочнокислых бактерий ослаблена.
Развиваясь во влажной муке, маслянокислые бактерии придают ей прогорклый вкус. Маслянокислое брожение находит практическое применение в производстве масляной кислоты, которая широко используется в технике.
Методика выполнения лабораторной работы
Цель работы: изучить процесс брожения как результат жизнедеятельности молочнокислых и маслянокислых бактерий.
Материалы, реактивы, оборудование: микроскоп; бактериологические петли и пипетки; покровные и предметные стекла; спиртовка; термостат; батистовая салфетка; набор пробирок; фильтровальная бумага; метиленовая синь; иммерсионное масло; бензин; молоко; кисломолочный продукт; неочищенный картофель; мел; раствор Люголя; смесь спирта и эфира (1:1); 5%-ный раствор FеСl3; этиловый спирт; концентрированная серная кислота.
Опыт № 1. Получение микроорганизмов процесса молочнокислого брожения
Инокулятом для получения накопительных культур молочнокислых бактерий могут служить кисломолочные продукты.
Учитывая особенность субстрата (молока), препарат фиксированных клеток готовят следующим образом: на обезжиренное предметное стекло из пробирки с помощью стерильной бактериологической петли наносят каплю культуральной жидкости, которую равномерно размазывают покровным стеклом. Мазок высушивают на воздухе, фиксируют (захватывают предметное стекло мазком вверх пинцетом и 3 раза проводят через пламя горелки) и одновременно обезжиривают смесью спирта и эфира (1:1) в течение 10 мин, которую наносят непосредственно на мазок. После испарения смесь наливают повторно. Высушенный мазок окрашивают мегиленовым синим (фиксированный препарат помещают на параллельные стеклянные рейки; наносят на стекло из пипетки раствор красителя; срок окрашивания колеблется от 1 до 3 мин; в этот период краситель должен покрывать весь мазок, затем его смывают легкой струей воды, при этом смывается краситель, не адсорбированный микроорганизмами; потом препарат высушивают, осторожно промокая его фильтровальной бумагой).
Опыт № 2. Получение микроорганизмов процесса маслянокислого брожения
Для получения накопительной культуры маслянокислых бактерий в большую пробирку емкостью 50 мл помещают несколько кусочков неочищенного картофеля, четверть чайной ложки мела, заливают водопроводной водой (расстояние до пробки 2-3 см), закрывают ватной пробкой и пастеризуют при 80 °С в течение 10 мин на водяной бане, после чего помещают в термостат при 37 °С.
После 5-6 дней культивирования анализируют накопительную культуру. Для приготовления микроскопического препарата культуральную жидкость с микроорганизмами берут пипеткой со дна пробирки, вблизи ломтиков картофеля.
Для обнаружения в культуральной жидкости масляной кислоты проводят две качественные реакции.
1. В сухую чистую пробирку вносят 3-5 мл культуральной жидкости, взятой из середины пробирки с накопительной культурой. Добавляют 1-2 мл 5%-ного раствора хлорного железа. Слегка подогревают. Наблюдают появление кирпично-бурого окрашивания из-за появления маслянокислого железа.
2. В сухую чистую пробирку вносят 3-5 мл культуральной жидкости, взятой из середины пробирки с накопительной культурой. Добавляют 1-2 мл 96%-ного этилового спирта, 1 мл конц. серной кислоты. После охлаждения пробирки обнаруживают ананасный запах образовавшегося масляно-этилового эфира.
Для обнаружения гранулезы в клетках маслянокислых бактерий на каплю культуральной жидкости с бактериями наносят на 5-10 мин каплю конц. раствора Люголя, после чего накрывают покровным стеклом и микроскопируют. Гранулеза окрашивается в темнокоричневый цвет.
Оформление и анализ результатов исследований
1. Получить накопительную культуру молочнокислых бактерий из кефира, кислого молока, описать характер роста. Приготовить препарат фиксированных клеток, промикроскопировать (объектив 90х). Рассмотреть и зарисовать микроскопические картины исследованных культур. Под каждым рисунком подписать увеличение препарата.
2. Получить накопительную культуру маслянокислых бактерий, описать характер роста. Приготовить препарат фиксированных клеток, промикроскопировать (объектив 90х). Рассмотреть и зарисовать микроскопические картины исследованных культур. Под каждым рисунком подписать увеличение препарата.
В ходе изучения данной темы студенты научатся получать накопительную культуру молочнокислых и маслянокислых бактерий и закрепят методы исследования микробиологических объектов, необходимые для их профессиональной деятельности.
1. Что такое молочнокислое брожение, и какое значение оно имеет для молочнокислых бактерий?
2. Какую форму имеют клетки молочнокислых бактерий?
3. Какой тип питания и дыхания у молочнокислых бактерий?
4. Одинакова ли оптимальная температура развития различных молочнокислых бактерий?
5. Какие условия постановки опыта способствуют накоплению молочнокислых бактерий, и чем ограничивается развитие посторонней микрофлоры?
6. Каково практическое использование молочнокислых бактерий?
7. Что такое маслянокислое брожение, и каково его значение для маслянокислых бактерий?
8. Какую форму имеют клетки маслянокислых бактерий, и образуют ли они споры?
9. Каков тип питания и дыхания маслянокислых бактерий?
10. Как обнаружить наличие в опыте маслянокислых бактерий и продуктов их жизнедеятельности? Подтвердить уравнениями реакций.
11. Какие условия постановки опыта способствуют накоплению маслянокислых бактерий?
12. Каково практическое использование маслянокислых бактерий?
13. Какие еще виды брожения Вы знаете? Какой биологический смысл имеет процесс брожения для жизнедеятельности микроорганизмов?
Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.
Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.
Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.
© 2018-2021 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.
Молочнокислые бактерии объединяют в сем. Lactobacillaceae. Хотя эта группа морфологически гетерогенна (включает длинные и короткие палочки, а также кокки), в физиологическом отношении ее можно охарактеризовать достаточно хорошо. Все относящиеся к ней бактерии грамположительны, не образуют спор (за исключением Sporolactobacillus inulinus) и в подавляющем большинстве неподвижны. Все они используют в качестве источника энергии углеводы и выделяют молочную кислоту. В отличие от Enterobacteriaceae, тоже образующих лактат, молочнокислые бактерии способны только к брожению; они не содержат гемопротеинов (таких, как цитохромы и каталаза). Несмотря на это, Lactobacteriaceae могут расти в присутствии кислорода воздуха; будучи анаэробами, они все же аэротолерантны. Если какая-нибудь бактерия растет в аэробных условиях, но не образует каталазу, ее с большой вероятностью можно отнести к молочнокислым бактериям.
Галактоза после фосфорилирования превращается в глюкозофосфат.
В связи с образованием больших количеств молочной кислоты питательная среда для молочнокислых бактерий должна быть хорошо забуферена. Чаще всего с этой целью добавляют карбонат кальция. На агаризованной среде со взвесью СаСО3 («меловом агаре») образование кислоты обнаруживается по прозрачным ореолам вокруг колоний.
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).
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.
Нерастущие, отмытые клетки Leuconostoc mesenteroides сбраживают глюкозу почти стехиометрически согласно уравнению
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:
Фруктоза при этом служит акцептором избыточных восстановительных эквивалентов:
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.
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
ГК «Униконс»
Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.
«Антисептики Септоцил»
Септоцил. Бытовая химия, антисептики.
«Петритест»
Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.
«АльтерСтарт»
Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.
Молочно-кислое брожение
Молочно-кислое брожение представляет собой процесс, столь же важный с хозяйственной точки зрения, как и рассмотренное выше спиртовое брожение.
Молочно-кислое брожение играет определяющую роль при производстве простокваши, кумыса, кефира, сметаны; при квашении капусты, огурцов; силосовании сочных растительных кормов. Очень важна его роль при изготовлении жидких дрожжей, заквасок, кваса.
Важным техническим продуктом является сама, молочная кислота, широко применяемая при производстве фруктовых соков, консервов, в кондитерской, кожевенной, текстильной и других отраслях промышленности.
Все микроорганизмы, способные вызывать молочно-кислое брожение, в зависимости от соотношения получаемых конечных продуктов брожения делятся на две группы — гомоферментативные (типичные) и гетероферментативные (нетипичные).
Гомоферментативные молочнокислые бактерии являются анаэробами или микроаэрофилами. Они неподвижны, спор не образуют, грамположительны, хорошо выносят высушивание (сухие молочно-кислые закваски сохраняются годами). Требовательны к питательной среде, так как многие нуждаются в свободных аминокислотах и других ростовых веществах, в витаминах.
Среди них встречаются палочковидные и кокковые формы. Все они кислотоустойчивы. Палочковидные формы образуют до 2-3 % кислоты, кокковые — до 1-1,2 %. В процессе брожения из сахаров образуют в основном молочную кислоту при самом минимальном количестве побочных продуктов. Суммарное уравнение брожения, вызываемого ими, выглядит следующим образом:
Химизм молочно-кислого брожения сходен со спиртовым. Сбраживанию могут подвергаться как простые моносахара, так и дисахара. Более сложные углеводы перерабатываться не могут, так как молочно-кислые бактерии не имеют ферментов для их расщепления.
В связи с некоторыми различиями в ферментных системах сходство процессов превращения сахаров при молочно-кислом и спиртовом брожениях сохраняется лишь до образования пировиноградной кислоты. Отсутствием у гомоферментативной группы молочно-кислых бактерий ферментов, способных вызывать декарбоксилирование пировиноградной кислоты, объясняется невозможность образования уксусного альдегида. Сама пировиноградная кислота, являясь кетонокислотой, восстанавливается в соответствующую оксикислоту. Восстановление осуществляется ферментом лактикодегидрогеназой. Восстановленная форма кофермента лактикодегидрогеназы (НАДН2) отдает водород пировиноградной кислоте по следующей схеме:
Наибольший интерес из гомоферментативных возбудителей молочно-кислого брожения представляют следующие.
Молочно-кислый стрептококк — кокки встречаются в молоке и сквашивают его. Газа не образуют. Лучше всего развиваются при температуре 30-35 °С; в этих условиях молоко свертывается через 10-12 ч, В среде накапливают до 1% кислоты. Кокки соединены в короткие цепочки или попарно.
Сливочный стрептококк — кокки лучше растут при температуре 25-30 °С. Применяются в заквасках наряду, с предыдущими. Накапливают до 0,8% кислоты. Кокки образуют длинные цепочки.
Болгарская палочка имеет оптимальную температуру роста 40-45 °С. В молоке образует 2,7- 3,7% молочной кислоты. Часто образует длинные цепочки.
Ацидофильная палочка имеет температурный оптимум роста 40 °С, В молоке накапливает до 2,2% кислоты. Применяется для производства ацидофильного молока. Способна к слизеобразованию.
Палочка Дельбрюка имеет оптимум температуры развития 45-50 °С. Сбраживает растительные сахара, но совсем не сбраживает молочный сахар — лактозу. Необходима для производства молочной кислоты. Развивается при квашении овощей. Вредит в сахарном и спиртовом производствах. Клетки располагаются поодиночке или в виде коротких цепочек.
Молочно-кислая палочка (бакт. плантарум) — одна из основных культур, развивающихся при квашении овощей, силосовании кормов. Может принимать участие в порче сыров типа Чеддер, вызывая, появление ржавых пятен. Вредит в сахарном и спиртовом производствах.
Сырная палочка имеет оптимальную температуру роста 40-42 °С. Накапливает до 1,5% кислот. Имеет важное значение в сыроделии, принимая участие в созревании Швейцарского и Советского сыров. Участвует в брожении кумыса.
Гетероферментативные молочно-кислые бактерии являются факультативными анаэробами. При брожении, кроме молочной кислоты, в зависимости от видов участвующих бактерий и условий брожения образуют разнообразные вещества — уксусную кислоту, этиловый спирт, а также янтарную кислоту, различные эфиры, углекислый газ, водород, диацетил (вещество, обладающее характерным приятным ароматом) и др. В общих чертах уравнение этого брожения, учитывающее основные конечные продукты, выглядит так:
Участием молочно-киелых гетероферментативных бактерий наряду с дрожжами при выбраживании ржаного теста объясняются значительное накопление молочной и уксусной кислот, этилового спирта, выделение СО2. При совместном обитании молочно-кислые бактерии оказывают на дрожжи благотворное влияние.
Еще более наглядным примером симбиотического сожительства этих микроорганизмов являются так называемые кефирные зерна, применяемые как закваска при производстве кефира.
Группа гетероферментативных бактерий способна к более глубокому расщеплению белков, чем гомо-ферментативная.
По отношению к температуре среди молочно-кислых бактерий различают группу мезофилов, оптимальная температура развития которых 35°С, и труппу термофилов, оптимум температуры для которых около 45 °С. При создании условий, соответствующих требованиям молочно-кислых бактерий, процессы брожения идут с наибольшей скоростью.
Среди гетероферментативных видов молочно-кислых бактерий наиболее важны следующие.
Капустная палочка — возбудитель брожения при сквашивании капусты и огурцов. Образует до 1,2% молочной кислоты. Наряду с другими веществами продуцирует много ароматических веществ, придающих продуктам в процессе сквашивания приятные вкус и аромат.
Ароматообразующие молочно-кислые стрептококки образуют из углеводов заметное количество эфиров и диацетила.
Из нетипичных молочно-киелых бактерий заслуживают внимания также представители рода лейконосток. Это слегка удлиненные кокки размером 0,8-1 мкм, образующие цепочки или располагающиеся попарно. Часто образуют слизистую оболочку. Термовыносливы — выносят нагревание до 88 °С. Могут принимать участие в порче вин, понижая кислотность и превращая их в сплошную слизистую массу.
Молочно-кислые бактерии из обеих групп способны вызывать порчу и других товаров. Являясь строгими анаэробами или же микроаэрофилами, они усиленно развиваются в упакованных в пленки товарах». Вызывают ослизнение мясных товаров при их вакуумной упаковке. Многие из них вызывают забраживание соков. Являясь довольно термостойкими, в отдельных случаях сохраняются после пастеризации в. молоке и вызывают его порчу. Некоторые представители этой группы способны приживаться в кишечнике человека, играя роль антагонистов гнилостных бактерий. Это их свойство и послужило основанием для гипотезы И. И. Мечникова, согласно которой молочно-кислые бактерии следует использовать в качестве средства борьбы с преждевременной старостью, наступающей в связи с постоянным отравлением человека продуктами жизнедеятельности гнилостных микроорганизмов желудочно-кишечного тракта. Использованная первоначально И. И. Мечниковым для этой цели болгарская палочка оказалась малоустойчивой к кислой среде желудочного сока. В дальнейшем вместо нее получила применение культура ацидофильной палочки, более стойкой, способной приживаться в организме человека. В целом эта гипотеза не разрешила проблемы борьбы с преждевременной старостью. Однако составная ее часть — идея использования антагонизма между микробами — получила признание и широко используется в настоящее время в практике.