Какие продукты подвергаются маслянокислому брожению
Схема реакций маслянокислого брожения[1][2]
Маслянокислое брожение — метаболический путь превращения органических веществ облигатно анаэробных бактерий, конечными продуктами которого являются АТФ, а также масляная кислота, бутанол, ацетон, изопропанол, этанол, уксусная кислота, углекислый газ и водород. Этот тип метаболизма характерен в основном для бактерий рода Clostridium, таких как C. pasteurianum, C. buryricum, C. acetobutylicum, C. pectinovorum[1], а также обитателей рубца жвачных, протистов Butyrivibrio и бактерий микрофлоры кишечника человека Eubacterium и Fusobacterium[2][3].. Маслянокисле брожение было открыто Луи Пастером в 1861 году[3].
Реакции маслянокислого брожения[править | править код]
Глюкоза и другие гексозы маслянокислые бактерии разлагают по гликолитическому пути. Пируват, после декарбоксилирования превращается в ацетил-КоА, этот процесс сопровождается выделением углекислого газа и восстановлением ферредоксина, который взаимодействует с ферментом гидрогеназой, в результате чего образуется водород. Ацетил-КоА является высокоэнергетической соединением, и его энергии достаточно для фосфорилирования АДФ, поэтому у части этих молекул остаток кофермента А заменяется на фосфатную группу, которая впоследствии переносится на АДФ. Эта ветка маслянокислого брожения энергетически выгодна, поскольку позволяет получить 4 моль АТФ на моль глюкозы (2 моль в реакциях гликолиза, ещё два — во время образования уксусной кислоты), однако она имеет два существенных недостатка: во-первых метаболизм глюкозы по этому пути приводит к очень резкому закислению среды, в результате чего рост бактерий может угнетаться, во-вторых, этот путь не позволяет клетке окислить восстановленные переносчики электронов НАДН, образовавшиеся в ходе гликолиза[2].
Ацетил-КоА может метаболизироваться и другим путём: при взаимодействии двух его молекул образуется ацетоацетил-КоА, который в ходе серии реакций превращается в бутирил-КоА. Это соединение также имеет достаточно энергии для синтеза АТФ, поэтому остаток кофермента А в ней может быть заменена на фосфатную группу, после чего эта группа используется в реакции субстратного фосфорилирования АДФ. Конечным продуктом этой ветви является масляная кислота. Образование масляной кислоты позволяет сократить снижения pH (на 1 моль глюкозы образуется только 1 моль кислоты), а также «избавиться» от некоторого количества восстановленного НАД, однако энергетический выход у него меньше, чем во время образования уксусной кислоты, — только три моля АТФ на моль глюкозы.
Если в результате выделения органических кислот в процессе маслянокислого брожения pH опускается ниже 4,4 у бактерий активируются метаболический путь, конечными продуктами которых являются этанол, ацетон и бутанол. В каждом из этих путей используется НАДН, однако ни один из них не дает больше двух моль АТФ на моль глюкозы[1].
Использование маслянокислого брожения[править | править код]
Использование маслянокислого брожения в промышленных масштабах началось во время Первой мировой войны. Британцам требовалось большое количество органических растворителей — бутанола (для производства искусственной резины) и ацетона (как растворителя нитроцеллюлозы в процессе изготовления бездымного взрывного пороха кордита). Эти вещества добывали методом пиролиза древесины, причём на изготовление одной тонны ацетона нужно было расходы 80-100 т берёзы, бука или клена. В 1915 году молодой ученый Хаим Вейцман разработал метод брожения с помощью бактерии Clostridium acetobutylicum, который позволял превращать 100 т патоки в 12 т ацетона и 24 т бутанола. Позже он усовершенствовал этот метод, найдя штамм бактерий, выделявший особо много нужных растворителей. Ацетон и бутанол получали путем маслянокислого брожения до 1940—1950-х годов, когда этот метод был заменен более дешевым[4].
Источники[править | править код]
Литература[править | править код]
- Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, А.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л.М.Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
- Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.
Маслянокислое брожение – это процесс превращения бактериями в анаэробных условиях углеводов, спиртов и других органических веществ в масляную кислоту (бутират). Суммарное уравнение процесса: С6Н12О6 → СН3СН2СН2СООН + 2 СО2 + Н2 + Эн.
При этом брожении кроме масляной кислоты накапливаются побочные продукты – бутанол, этанол, ацетон, органические кислоты (уксусная, капроновая, каприловая).
При маслянокислом брожении под воздействием ферментов микроорганизмов сначала происходит гидролиз полисахаридов или других органических веществ до гексоз, затем до образования ПВК брожение идет по ЭМП-пути. Далее ПВК подвергается ферментами микроорганизмов дегидрированию, в результате чего при участии КоА образуется ацетил-КоА (СН3СО-КоА), затем происходит конденсация двух молекул ацетил-КоА с образованием ацетоацетил-КоА. В результате восстановления ацетоацетил-КоА образуется β-оксибутирил-КоА, а из него бутират (рисунок Г.3). При маслянокислм брожении на одну молекулу глюкозы образуется три молекулы АТФ (две молекулы АТФ на этапе гликолиза и одна на этапе образования масляной кислоты).
Маслянокислое брожение широко распространено в природе. Маслянокислые бактерии обитают там, где много органического вещества и нет доступа воздуха – в иловых отложениях водоемов, в почве, в скоплениях разлагающихся отбросов, в навозе, в сточных жидкостях и т.п. Развитее этих бактерий в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря симбиозу с аэробными бактериями, использующими кислород. Маслянокислое брожение играет важную роль в цепи превращений органических веществ при минерализации.
Возбудители маслянокислого брожения относятся к роду Clostridium (C.butyricum, C.saccharodutyricum, C.amylobacter). Это строгие анаэробы. Они образуют споры, отличающиеся высокой устойчивостью. По отношению к источникам азота маслянокислые бактерии весьма неприхотливы, они усваивают белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые – азот воздуха. Бактерии C.butyricum – возбудители типичного маслянокислого брожения. Это подвижные крупные грамположительные анаэробные палочки, длиной 4-12 мкм, шириной 0,5-1,5 мкм, . перитрихи, споры располагаются центрально или субтерминально. Характерным является накопление гранулезы (специфического запасного углеводного вещества) перед образованием спор. Споры могут выдерживать кипячение в течение нескольких минут. Оптимальная температура развития бактерий 30-400С (маслянокислое брожение наиболее интенсивно протекает при 350С). Оптимальная рН их развития 6,9-7,4, при рН 4,5 бактерии прекращают развитие. Они сбраживают многие углеводы и близкие к ним соединения с обильным выделением газов (СО2 и Н2). Масляная кислота бактериями не потребляется. Кроме того, C.butyricum могут сбраживать крахмал и декстрины, так как содержат амилазу, способствующую расщеплению этих соединений до простых сахаров. Бактерии C.pasteurianum по многим свойствам сходны с C.butyricum,но более кислотоустойчивые и не сбраживают крахмал. Этот вид возбудителей маслянокислого брожения описан С.Н. Виноградским как способный усваивать атмосферный азот.
В промышленности масляную кислоту получают из крахмалистого сырья (картофельное, зерновое, отходы крахмального производства), мелассы (отход сахарного производства), отходов производства молочной кислоты. Брожение ведут в присутствии мела, который нейтрализует масляную кислоту. Кислота подвергается этерификации и в виде эфиров используется в парфюмерной и кондитерской промышленности.
Маслянокислые бактерии являются опасными вредителями пищевых производств. Опасно также их развитие в производствах, связанных с использованием дрожжей, так как эти бактерии сильно угнетают дрожжи. Появление маслянокислых бактерий в молочных продуктах вызывает неприятный запах и прогорклый вкус. Эти бактерии являются причиной порчи консервов (овощных, мясных, рыбных). С ними трудно бороться, так как они встречаются на любом сырье, а споры их очень устойчивы. Технологией пищевых предприятий предусмотрены профилактические меры борьбы с маслянокислой микрофлорой, используют также антибиотик низин.
Ацетонобутаноловое брожение. В химизме брожения много общего с маслянокислым. Первые стадии этого брожения идут по типу маслянокислого. В результате маслянокислого брожения среда подкисляется, что неблагоприятно для жизнедеятельности маслянокислых бактерий. Для предотвращения дальнейшего подкисления, когда в процессе брожения рН снижается до 4,5, усиливается активность ферментов, катализирующих превращение части ацетоацетила-КоАв ацетон. Это приводит к потери одного акцептора водорода в виде ацетоацетил-КоА. Чтобы компенсировать это, в процесс включаются ферменты, восстанавливающие бутирил-КоАдо бутанола. На этом этапе освобождаются две молекулы НАД+ (рисунок Г.4). Суммарное уравнение ацетонобутанолового брожения:
12С6Н12О6 → 4СН3СОСН3 + СН3(СН2)3ОН + СН3СН2СН2СООН +
+ СН3СН2ОН + 28СО2 + 18Н2 + 2Н2О + Эн.
В 1939 г. В.Н.Шапошниковым было обнаружено, что брожение имеет двухфазный характер: первая фаза кислотная, вторая – ацетонобутаноловая.
Вначале брожения происходит активный рост культуры и накопление в среде преимущественно органических кислот (масляной и уксусной). Во второй фазе рН среды снижается, рост культуры замедляется, преобладает образование нейтральных продуктов (ацетона, бутанола, этанола). Количество органических кислот может уменьшаться.
Если значение рН среды поддерживать на уровне 5,0 и выше (путем добавления мела или другими способами), то образования в большом количестве ацетона, бутанола и этанола не происходит. При низких значениях рН активизируются ферменты, катализирующие образование ацетона и бутанола. Кроме того, бутанол может частично синтезироваться из ранее образованной масляной кислоты, вновь поступающей в клетки из среды. Таким образом, в зависимости от условий брожения, т.е. подавляя какую-либо фазу брожения, можно получить усиленное накопление тех или иных продуктов.
Отличие этого брожения от маслянокислого в том, что при маслянокислом брожении накапливающиеся кислоты постепенно замедляют процесс кислотообразования и даже приостанавливают его, а при ацетонобутаноловом – образовавшиеся кислоты потребляются бактериями и превращаются в другие вещества.
Сырьем для промышленного получения ацетона и бутанола служит меласса и другое дешевое углеводсодержащее сырье. Продукты брожения применяются для нужд нитроцеллюлозной и лакокрасочной промышленности, производства фотопленок, ацетилцеллюлозы, органического стекла, в химической и фармацевтической промышленности.
Бактерии, образующие в процессе своей жизнедеятельности значительное количество ацетона и бутанола, широко распространены в природе. Они находятся в основном в почве и относятся к роду Clostridium, наиболее активным продуцентом является C.acetobutylicum. Этот вид используется в промышленности. Возбудители брожения являются строгими анаэробами. Они представляют собой грамположительные спорообразующие палочки, перитрихи, относятся к группе протеолитических клостридий, способны фиксировать молекулярный азот.
Ацетоноэтаноловое брожениепредставляет собой биологический процесс разложения углеводов особыми микроорганизмами с образованием ацетона и этилового спирта. В процессе брожения выделяется СО2 и водород. Суммарное уравнение брожения:
2С6Н12О6 + Н2О → СН3СОСН3 + 2СН3СН2ОН + 5СО2 + 4Н2 + Эн.
Начальные стадии брожения протекают подобно другим анаэробным брожениям. На более поздних стадиях брожение имеет свои особенности. Эти особенности были установлены Н.И.Иерусалимским. Брожение происходит в две фазы: фаза роста бактерий (кислотная) и фаза зрелости (ацетонная).
Возбудители брожения относятся к роду Clostridium. Возбудитель C.macerans выделен Шардингером в 1904 г. C.acetoethylicum — несколько позже. Возбудители ацетоноэтанолового брожения принадлежат к факультативным анаэробам. Это грамотрицательные палочки, гранулеза в клетках отсутствует, факультативные анаэробы, аминоавтотрофы, проявляют потребность к ряду биологически активных веществ, сбраживают многие углеводы и пектиновые вещества, клетчатку не гидролизуют. Оптимальная температура их развития 40-420С, первая фаза развития происходит при рН 8-9, вторая – рН 6-8. Соотношение этилового спирта и ацетона в этом брожении довольно стабильное и соответствует 2,5:1 или 3:1. Брожение широко распространено в природе (разложение остатков растений). Оно также может использоваться в промышленности для получения ацетона и этилового спирта.
В отличие от рассмотренных брожений маслянокислое брожение вызывается строгими анаэробами, относящимися к роду Clostridium. Для них молекулярный кислород — яд.
Общие условия маслянокислого брожения. Единственным источником энергии для маслянокислых бактерий является процесс брожения. Суммарное уравнение маслянокислого брожения имеет следующий вид:
Возбудителем типичного маслянокислого брожения является Clostridium butyricum (рис. 35, б). Отдельные представители маслянокислых бактерий вызывают несколько разновидностей маслянокислого брожения, общим признаком которых является большее или меньшее накопление масляной, уксусной и других органических кислот, а также бутилового и других спиртов, ацетона и некоторых газообразных продуктов — водорода, метана, диоксида углерода.
Сбраживаться могут углеводы, в том числе полисахариды (крахмал, амилоза, гранулеза, гликоген, пектиновые вещества, целлюлоза и др.), так как у маслянокислых бактерий есть соответствующие ферменты — амилаза, пектиназа, целлюлаза, — гидролизирующие эти соединения до простых сахаров, которые подвергаются маслянокислому брожению; спирты (этиловый, маннит, глицерин), аминокислоты (глутаминовая и др.).
Близки к маслянокислым бактериям патогенные формы — возбудители ботулизма (тяжелого пищевого отравления) и столбняка.
По характеру используемых субстратов маслянокислые бактерии составляют две группы: сахаролитические клостридии, сбраживающие в основном углеводы, и протеолитические клостридии, имеющие активные протеолитические ферменты и разлагающие белки, пептоны до аминокислот, которые затем подвергаются сбраживанию.
Маслянокислые бактерии довольно крупные, грамположи- тельные, подвижные палочки с перитрихиально расположенными жгутиками, образующие очень устойчивые споры, при формировании которых клетка принимает форму веретена или теннисной ракетки. Перед образованием спор в клетках накапливается запасное крахмалоподобное вещество — полисахарид гранулеза.
Рис. 35. Пропионовокислые бактерии (а); маслянокислые бактерии (б)
Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они обитают там, где много органических веществ и нет доступа кислорода, — в иловых отложениях водоемов, в навозе, почве, в скоплениях разлагающихся отбросов, в сточной жидкости и т.п. Их развитие в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря симбиозу с анаэробными бактериями, которые используют кислород на собственные нужды. Повсеместному их распространению способствует необыкновенно высокая устойчивость спор.
Практическое значение маслянокислого брожения. В природе маслянокислым бактериям принадлежит важная роль в круговороте углерода в природе. Масляная кислота — широко распространенный продукт анаэробного разложения различных органических веществ.
Маслянокислое брожение используют в промышленности для получения масляной кислоты, которая находит широкое применение. Масляная кислота обладает резким неприятным запахом (так пахнет прогоркшее масло). В то же время ее эфиры отличаются приятным ароматом, например метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый — грушевый, амиловый — ананасный. Их используют в кондитерской и парфюмерной промышленности, а также в производстве фруктовых безалкогольных напитков.
Большой ущерб наносит маслянокислое брожение в народном хозяйстве. Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов (бомбаж), прогоркание молока, увлажнение муки и других продуктов. Они вызывают порчу квашеных овощей при замедленном молочнокислом брожении, образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.
В производствах, основанных на жизнедеятельности дрожжей, маслянокислые бактерии являются вредителями, так как масляная кислота отравляет дрожжи. Борьба с ними затруднена из-за высокой устойчивости спор.
Химизм маслянокислого брожения
Маслянокислое брожение было открыто Луи Пастером в 1861 г. Краткий суммарный эффект процесса обычно выражают следующим уравнением:
Расщепление сахара при маслянокислом брожении происходит с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода. Хотя химизм маслянокислого брожения полностью еще не изучен, тем не менее он может быть объяснен на основе реакций, протекающих при спиртовом брожении.
При маслянокислом брожении все превращения идут по тому же пути, что и при спиртовом, вплоть до образования уксусного альдегида. Однако восстановления образовавшегося ацетальдегида до этанола не происходит, так как в ферментативном комплексе маслянокислых бактерий отсутствует редуктаза. Вместо восстановления ацетальдегида происходит его альдольное уплотнение с последующей трансформацией альдоля в масляную кислоту. Альдольное уплотнение катализируется ферментом карболигазой:
В качестве побочных продуктов брожения часто образуется этиловый спирт, а также бутиловый спирт, ацетон и уксусная кислота.
Возбудители маслянокислого брожения
Маслянокислые бактерии являются облигатными анаэробами. Сюда относятся Clostridium pasteurianum, Clostridium butyricum, Clostridium amylobacter, Clostridium saccharobutyricum и др.
Маслянокислое брожение — чрезвычайно распространенный в природных условиях процесс анаэробного разложения органических веществ, поэтому возбудителей этого брожения можно обнаружить всюду, где есть растительные остатки, — в почве, в илах водоемов и других естественных субстратах, лишенных доступа кислорода, а также в кишечнике человека и животных. Оптимальная температура развития 30-40 °С. Маслянокислое брожение — одно из важнейших звеньев в бесконечной цепи круговорота веществ в природе.
Маслянокислые микроорганизмы (рис. 29 и 30) — довольно крупные (3-12 х 0,8-1,5 мкм) подвижные палочки с перитрихиальным жгутованием, образующие полярно или центральна расположенные споры эллипсоидной или цилиндрической формы. При спорообразовании клетки маслянокислых микробов раздуваются, напоминая веретено, а изредка барабанные палочки.
Споры возбудителей маслянокислого брожения весьма термоустойчивы, свободно выдерживают кипячение в течение нескольких минут. Характерной особенностью этой группы микробов является способность накапливать в цитоплазме клеток запасное крахмалоподобное вещество — гранулезу, окрашивающуюся йодом в синий цвет. Гранулезная реакция, очень редко наблюдающаяся у других видов, обусловила появление у маслянокислых микробов дополнительного родового названия Granulobacter. В отношении условий развития, за исключением строгой анаэробности, маслянокислые микроорганизмы оказываются очень неприхотливыми. Они могут использовать для своего питания самые разнообразные источники углерода различные сахара, молочную, пировиноградную кислоты, маннит, глицерин, а наличие в комплексе ферментов энергичной амилазы дает им возможность непосредственно сбраживать и крахмал. В качестве источников азота они используют пептон-аминокислоты, аммонийные соли, а микроб Cl. pasteurianum свободно живущий в почве, способен фиксировать даже атмосферный азот.
Для консервного производства и других пищевых производств маслянокислое брожение является вредным процессом. Споры маслянокислых бактерий способны выдерживать непродолжительное кипячение (в течение 1-2 мин), поэтому они могут сохраниться в пастеризованных и даже в стерилизованных продуктах, особенно в тех случаях, когда сырье бывает сильно загрязнено землей и плохо промыто. Сохранившиеся после термической обработки споры маслянокислых бактерий развиваются в вегетативные клетки. В процессе жизнедеятельности, возбуждая маслянокислое брожение, они разлагают углеводы (крахмал, декстрины, гексозы, пентозы), некоторые спирты (глицерин и маннит), соли молочной и пировиноградной кислот. Образующиеся при брожении масляная кислота, CO2 и водород изменяют вкусовые качества консервов. Консервы становятся непригодными к употреблению.
При наличии азотистых веществ в пищевых продуктах при развитии маслянокислых бактерий появляется резкий запах аммиачных соединений. Из маслянокислых бактерий порчу консервированных продуктов вызывают спорообразующие анаэробы типа Cl. pasteurianum. Обладая сахаролитическими свойствами, эти микроорганизмы являются возбудителями газового бомбажа фруктовых консервов и томатопродуктов. Порчу консервов вызывают и анаэробы, родственные Cl. butyricum (в частности, бомбаж цельноконсервированных томатов).
Однако при переработке свежего сырья и при строгом соблюдении санитарного и технологического режима порчи консервированных продуктов под воздействием маслянокислых бактерий не происходит, тем более что споры этих бактерий в кислой среде нетермостойки и погибают при нагревании продукта до 100 °С.
Кроме консервов, маслянокислые бактерии вызывают порчу молока, вспучивание сыров. Маслянокислое брожение может возникнуть в муке с большой влажностью, что придает продукту горький вкус. Может возникнуть маслянокислое брожение и в квашеных овощах. Иногда наблюдается массовая порча картофеля, хранящегося в буртах.
Однако масляная кислота и ее сложные эфиры находят широкое техническое применение. Метиловый эфир масляной кислоты (яблочная эссенция), этиловый спирт (грушевая эссенция) и амиловый эфир (ананасная эссенция) используются в качестве ароматических веществ в кондитерской и парфюмерной промышленности.
В технике масляную кислоту получают главным образом биологическим путем в результате маслянокислого брожения, используя в качестве сырья отходы крахмало-паточного, спиртового и свеклосахарного производств, сбраживая низкосортный крахмал, мелассу и прочие дешевые отходы. В качестве возбудителя брожения используют Cl. saccharobutyricum. Чтобы увеличить выход масляной кислоты; в ходе брожения ее нейтрализуют, добавляя в сбраживаемый затор мел.