Какие процессы брожения называются анаэробными, а какие аэробными и почему?

Тема 1.5 Важнейжие микробиологические процессы и их хозяйственная роль.

Превращение безазотистых органических веществ. Анаэробное разложение ( брожение ) безазотистых веществ

Обратим внимание на слово «безазотистые» - это значит, не содержащие азота - N_{2 .}

Азот – газ, которого в атмосферном воздухе 78%! Он содержится также в белковых молекулах, поэтому слово «безазотистые» обозначает «безбелковые».

«Безазотистые» - это углеводы и жиры. Главный компонент углеводов и жиров – это углерод - С

Углерод является одним из важнейших элементов органической жизни и входит в органические вещества. Хотя эти вещества на земной поверхности составляют очень малую величину по отношению к общей массе земли, они играют весьма важную роль в природных процессах, так как содержат огромные запасы скрытой солнечной энергии, накопленной зелеными растениями.

Все зеленые растения синтезируют органические вещества (белки, углеводы, жиры) из минеральных, используя энергию солнечного света. Так, зеленые растения превращают лучистую энергию солнца в скрытую энергию химических соединений. основным источником углерода для растений служит углекислый газ (СО₂). В воздухе содержится примерно 0,03 объемных процента СО₂.

Воздух пополняется углекислым газом при вулканических извержениях, сжигании топлива, а также в результате дыхания людей, животных и растений.

Однако этого количества СО₂ было бы недостаточно для развития растений, если бы в природе не происходил обратный процесс, при котором углерод органических соединений возвращается в воздух в виде углекислого газа.

В этом процессе активную роль играют микроорганизмы. Они разлагают растительные и животные остатки, и СО₂ снова выделяется в атмосферу. К биохимическим процессам распада безазотистых соединений, вызываемых микроорганизмами, относятся спиртовое, молочнокислое, маслянокислое брожение и другие виды разложения органических веществ.

Спиртовое брожение. Спиртовым брожением называется процесс разложения сахара под действием микроорганизмов на этиловый спирт и углекислый газ по суммарному уравнению:

С6Н12О6 = 2СНзСН2ОН + 2СО2 + 113400 Дж.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, а также мукоровые грибы.

Наряду с этиловым спиртом и углекислым газом при спиртовом брожении образуются побочные продукты, такие, как глицерин и сивушные масла, смесь бутилового, изобутилового, амилового, изоамилового и других спиртов. Спирт отделяют от сусла перегонкой, а затем очищают путем фракционной дистилляции.

https://www.youtube.com/watch?v=FXHmkilOr8A

При необходимости увеличения выхода сивушных масел для использования в технике в бродящий субстрат добавляют соответствующие аминокислоты. При подщелачивании среды углекислыми или борнокислыми солями натрия, калия или углекислого аммония в результате брожения получают, кроме этилового спирта, уксусную кислоту и глицерин. На одну молекулу спирта приходятся одна молекула уксусной кислоты и две молекулы глицерина.

Большинство дрожжей способно сбраживать моносахариды (глюкозу, фруктозу) и дисахариды (сахарозу, мальтозу). Наиболее подходящая концентрация сахара в среде для большинства дрожжей 10—15 %; концентрация менее 10 % неблагоприятна для брожения, а при концентрации 30—35 % сахара оно приостанавливается.

Нормальное брожение протекает в кислой среде (рН 4,0—4,5). Наиболее быстро этот процесс идет при температуре около 30° С, при 50° С брожение останавливается. На спиртовом брожении основано производство спирта и глицерина, вина и пива. Его используют также в хлебопечении. Накапливающийся в процессе брожения спирт оказывает вредное действие на дрожжи. В большинстве случаев брожение прекращается при 12—16 % спирта (некоторые расы дрожжей могут накапливать 17—20 % спирта).

Для усиления роста дрожжей сусло вначале аэрируют, а затем создают анаэробные условия, чтобы обеспечить брожение, накопление спирта и предупредить окисление его в уксусную кислоту, а потом в воду и углекислый газ.

В спиртовой промышленности, пивоварении, а также в хлебопечении используют различные расы дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Для производства виноградных вин применяют различные расы винных дрожжей вида Saccharomyces ellipsoides (Saccharomyces vini). Селекцией рас этих дрожжей удается создавать новые сорта вин, повышать их качество и крепость.

При производстве пшеничного хлеба используют прессованные дрожжи различных рас. Спирт и углекислый газ, образующиеся при брожении, разрыхляют тесто, а побочные продукты придают хлебу своеобразный вкус и аромат.

Молочнокислое брожение. При этом виде брожения молочнокислые бактерии расщепляют молекулу сахара на две молекулы молочной кислоты:

С6Н]2О6 = 2СН3СНОНСООН + 756000 Дж.

Промежуточными продуктами брожения являются пировиноградная кислота и водород.

Посмотрите фильм:

https://www.youtube.com/watch?v=gUsdGTuIKWE&t=47s

По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий.

Гомоферментативные (типичные) бактерии превращают приблизительно 90 % лактозы в молочную кислоту с ничтожным содержанием побочных продуктов — углекислого газа или уксусной кислоты.

Гетероферментативные (нетипичные) бактерии образуют примерно 59 % молочной кислоты и наряду с ней 25 % уксусной кислоты и этилового спирта и 25 % углекислого газа.

Типичные возбудители молочнокислого брожения представлены кокковыми или палочковидными формами. Все эти бактерии, гетеротрофы, неподвижные, не образующие спор, грамположительные, факультативные анаэробы. К гомоферментативным молочнокислым бактериям принадлежат следующие:

1. Молочнокислый стрептококк (Streptococcus lactis). Бактерии этого вида располагаются попарно или короткими цепочками, имеют размер в поперечнике от 0,5 до 1,4 мкм (рис. 8).

Рис. 8. Streptococcus lactis.

Оптимальная температура для их роста 30—35° С, в этих условиях молоко свертывается через 10—12 ч. Молочнокислый стрептококк образует около 0,8—1,0 % молочной кислоты. Широко используется в молочной промышленности для изготовления простокваши, творога, сметаны, кефира, кислосливочного масла.

2. Сливочный стрептококк (Streptococcus crmoris). Клетки размером 0,6—0,7 мкм, образующие длинные цепочки. Лучше растет при 25—30°С. Применяется в закваске со Streptococcus lactis.

3. Термофильный стрептококк (Streptococcus termophilus) развивается при 40—50° С. Кислоты накапливает около 1 %. Используется для производства простокваши и сыра.

3. Болгарская палочка (Lactobacterium bulgariсит). Клетки размером 4—5 мкм, часто образуют цепочки. Оптимальная температура для роста 40— 45° С. В молоке накапливает 2,7—3,7 % молочной кислоты. Сбраживает глюкозу, лактозу, сахарозу. Эта бактерия широко распространена, типичный возбудитель естественного скисания молока в южных районах.

4. Аидофильная палочка (Lactobacterium acidophilum (рис. 9, 10).

Этот вид сбраживает глюкозу, сахарозу и мальтозу. Оптимальная температура для развития 40° С. В молоке накапливает 2,2 % и больше молочной кислоты. Применяется для производства ацидофильного молока и ацидофильной простокваши. В отличие от болгарской палочки может приживаться в кишечнике человека и животного;

5. Сырная палочка (Lactobacterium casei). Клетки размером 2—6 мкм. Сбраживает глюкозу, мальтозу и сахарозу. Хорошо развивается при температуре около 30°С. Имеет важное значение в сыроделии;

6. Дельбруковская палочка (Lactobacterium delbruckii). Длинная палочка размером 2—7 × 0,5— 0,8 мкм, располагается короткой цепочкой или поодиночке. Оптимальная температура развития 45—50° С. Не сбраживает лактозу. Используется при заводском способе производства молочной кислоты и приготовлении хлебных заквасок.

К гомоферментативным бактериям относится также Lactobacterium plantarum — мелкая палочковидная форма, которая легко сбраживает растительные сахара, в изобилии встречается на поверхности растений и находит широкое применение при силосовании, а также квашении огурцов и капусты.

К гетероферментативным молочнокислым бактериям относится широко распространенная в природе кишечная палочка (Bacterium coli aerogenes) — мелкая, грамотрицательная, неспорообразующая бактерия и близкий к ней организм Bad, coli aerogenes. В отличие от Bad. coli Bad. coli aerogenes неподвижна. При сбраживании Сахаров накапливается наряду с молочной кислотой янтарная, уксусная кислоты, этиловый спирт, углекислый газ и водород.

В практике имеют значение ароматообразующие стрептококки (Streptococcus citrovorum, Strept. diaceti ladis), которые, помимо кислот, создают ароматические вещества (диацетилэфиры). Эти стрептококки используются при изготовлении сметаны и кислосливочного масла со специфическим ароматом. Молочнокислые бактерии в качестве источника азота используют аминокислоты или пептоны. Эти бактерии очень требовательны к витаминам, особенно к витамину В2 (лактофлавин). Источником углерода для них служат моносахариды (глюкоза, галактоза, левулеза), дисахариды (лактоза, сахароза, мальтоза), пентозы (арабиноза), многоатомные спирты, многоосновные кислоты и даже белки.

Молочнокислые бактерии широко используют для изготовления простокваши, кефира, ацидофилина, кумыса, сметаны, кваса, сыров, а также в хлебопечении, квашении овощей, силосовании кормов, при выделке меховых шкурок и в производстве молочной кислоты.

Пропионовокислое брожение. Этот тип брожения вызывают анаэробные пропионовокислые бактерии, представляющие собой короткие неподвижные, неспоровые, грамположительные палочки. Оптимальная температура для' их развития 30—35°С. Эти бактерии легко сбраживают сахар и молочную кислоту, превращая их в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды:

ЗС6Н12О6 = 4СНзСН2СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2Н2О.

Типичный представитель этой группы бактерий Bad. acidi propionici развивается в молоке и твердых сырах. Некоторые пропионовокислые бактерии используются для получения витамина В12 в промышленных масштабах.

Маслянокислое брожение. Это процесс превращения углеводов (сахаров, крахмала, декстрина, пектинового вещества) и спиртов (маннит, глицерин) бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода:

С6Н,2О6 = СН3СН2СН2СООН+2СО2+2Н2+Дж.

Источником азота для маслянокислых бактерий служат пептоны, аминокислоты, аммонийные соли и даже молекулярный азот атмосферы. Кроме основных продуктов брожения, образуются бутиловый и этиловый спирты, ацетон и уксусная кислота.

Описано 25 видов возбудителей маслянокислого брожения. Все они представляют собой подвижные крупные палочки длиной от 4—5 до 7—12 мкм, при образовании спор приобретают веретенообразную форму, грамположительные, анаэробы. Часто встречаются в почве, навозе, загрязненной воде и т. д. Наиболее известны из них следующие:

1. Clostridium pasteurianum — типичная масляно-кислая бактерия, образует масляную кислоту, углекислый газ и водород (рис. 11).

Рис. 11. Clostridium pasteurianum

2. C. felsineum — сбраживает пектиновые вещества.

3. C. acetobutylicum — сбраживает углеводы с образованием бутилового спирта.

4. C. saccharobutyricum — переводит углеводы в масляную кислоту и другие продукты.

Температурный оптимум для развития маслянокислых бактерий 30—40 °С. Маслянокислое брожение хорошо протекает при нейтральной реакции. Если оно идет в кислой среде, то накапливаются бутиловый спирт и ацетон. Масляная кислота сообщает продукту неприятный вкус и запах прогорклого масла.

Маслянокислые бактерии чувствительны к кислой реакции среды, поэтому они могут вызывать порчу силоса и заквашенных овощей, если молочная кислота накапливается слишком медленно.

Масляную кислоту широко используют в технике. Сложные эфиры ее отличаются приятным запахом и применяются в качестве ароматических веществ в кондитерской и парфюмерной промышленности, например метиловый эфир с яблочным запахом, этиловый эфир с грушевым запахом, амиловый — с ананасным.

Ацетонобутиловое брожение. В процессе его образуется значительно больше бутилового спирта и ацетона, чем при маслянокислом брожении. Брожению подвергаются моносахара, дисахара и крахмал. Возбудитель ацетонобутилового брожения Clostridium acetobutylicum — подвижная палочка размером 3,5—5,0 мкм, анаэробная, спорообразующая, часто клетки ее соединены попарно или в длинные цепочки (рис. 12).

Рис. 12. Clostridium acetobutylicum

В производстве ацетонобутиловое брожение ведут на чистой культуре бактерий при температуре 37–38 °С в кислой среде. Процесс продолжается 36–40 ч.

Ацетон и бутиловый спирт широко применяют в химической и лакокрасочной промышленности, а также при производстве синтетического каучука.

Аэробное разложение

К нему относятся окислительные биохимические процессы, связанные с дыханием микроорганизмов в аэробных условиях.

Конечными продуктами дыхания часто могут быть не только углекислый газ и вода, но и продукты неполного или частичного окисления органических веществ (лимонная кислота, уксусная кислота и т. д.). В природе эти вещества используют другие микробы и подвергают их дальнейшему окислению до С02 и Н20. В природных условиях окислению подвержены не только органические вещества, но и многие неорганические: водород, сероводород, аммиак, закись железа, восстановленные соединения. Простейшим типом окисления является окисление молекулярного водорода до воды:

2Н2 + О2 = 2Н2О + 579600 Дж.

Окислительные процессы играют важную роль, особенно в условиях орошения, где избыток воды часто связан с анаэробными процессами и накоплением ядовитых соединений (FeO, FeS, MnO, CH4). Мероприятия, направленные на повышение аэрации, будут способствовать окислению — переводу FeO в FeО3, H2S в H2SО4 и т. д., т. е. в соединения, не токсичные для растений.

Окисление этилового спирта в уксусную кислоту. Этот процесс осуществляется группой уксуснокислых бактерий по уравнению.

СН3СН2ОН + О2 = СНзСООН + Н2О.

Возбудителями являются аэробные бактерии. Среди них встречаются подвижные и неподвижные. Из рода Acetobacter описан ряд важнейших видов типичных уксуснокислых бактерий, таких как Acetobacter aceti (рис. 13), Acetobacter pasteurianum, Acetobacter oreeanes schutzenbachii.

Рис. 13. Acetobacter aceti.

Бактерии этого рода — грамотрицательные палочки размером от 0,5 до 8 мкм, иногда соединены в цепочки. Спор не образуют. Одни виды бактерий отличаются от других размерами, различной устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество кислоты (от 6 до 11,5 %).

Для промышленного приготовления уксусной кислоты используют виноградное вино или уксусно-спиртовый раствор (10—12 % спирта и 1 % уксусной кислоты). Для питания уксуснокислых бактерий в субстрат добавляют необходимые минеральные соли и витамины. Оптимальная температура для развития этих бактерий 20—35° С. Многие уксуснокислые бактерии на субстрате образуют характерные прочные толстые пленки.

Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.

Окисление углеводов до лимонной кислоты. Лимонную кислоту получают с помощью плесневых грибов Aspergillus, которые широко распространены в природе и обнаруживаются в самых различных субстратах.

Основным сырьем для производства лимонной кислоты служит меласса (черная патока). Раствор ее, содержащий около 15 % сахара с добавлением различных минеральных, солей, в плоских открытых кюветах засевают спорами гриба. При хорошей аэрации в специальных камерах процесс продолжается 6—7 дней при температуре около 30°С. Выход лимонной кислоты составляет 50—60 % израсходованного сахара. При недостаточном количестве сахара грибы потребляют саму лимонную кислоту.

В последнее время начинает внедряться «глубинный» метод культивирования гриба в специальных закрытых емкостях (ферментерах) с интенсивной аэрацией. Этот метод повышает производительность процесса и не допускает загрязнения жидкости посторонней микрофлорой.

Лимонную кислоту широко используют в медицине, а также при изготовлении кондитерских изделий, безалкогольных напитков, в кулинарии.

Окисление жиров и жирных кислот. Попадая в почву вместе с животными и растительными остатками, жиры полностью разрушаются (гидролизуются) различными микроорганизмами. При этом образуются глицерин и жирные кислоты. Процесс протекает под действием фермента липазы при обычной температуре в присутствии воды. Микробов, выделяющих этот фермент, довольно много. Среди аэробных бактерий он обнаружен у Bacteria coli, Proteus vulgaris, Bacillus mycoides, Вас. megatherium, Salmonella, а также у стафилококков, пневмококков и стрептококков. Наиболее энергично разлагают жиры некоторые пигментные и флуоресцирующие бактерии (Bad. prodigiosum, Bad. pyocyanerum, Bad. fluorescens), актиномицеты и плесневые грибы. Из грибов высокой липолитической способностью обладают Oidium Ictdis, многие виды из родов Aspergillus и Реnicillium.

Гидролиз жиров микроорганизмами происходит постоянно и играет существенную роль в общем круговороте веществ в природе.

Получившиеся в процессе гидролиза глицерин и свободные жирные кислоты постепенно окисляются в почве различными микробами и превращаются в перегнойные кислоты, углекислый газ и воду.

Окисление углеводородов. Почвенные микроорганизмы используют эти вещества в качестве источника энергии.

Многие бактерии окисляют бензол, нафталин, кислородные фенолы, полифенолы и креозолы.

Ксилол, толуол и бензин участвуют в обменных реакциях многих видов микробов, в частности Pseudomonas и микобактерий.

Существует большая группа микроорганизмов, способных расщеплять углеводороды нефти. Метан может быть окислен в почве короткой палочкой Bad. metaniсит с образованием органических соединений и С02. Этой способностью обладают также Bad. ptjocyaneum, Bad. fluorescens.

Углеводороды расщепляют не только бактерии, но и многие актиномицеты и некоторые грибы.

Разложение целлюлозы (клетчатки). Среди химических безазотистых веществ растительных остатков относительно медленно разлагаются под действием микроорганизмов целлюлоза, лигнин и пектиновые вещества.

Другие микроорганизмы, широко распространенные в почве вблизи нефтяных скважин, энергично окисляют этан, пропан (Pseudomonas, Propanica), минеральные масла, содержащиеся в нефти и парафине (Desulfovibrio).

В природе целлюлоза под влиянием фермента целлюлозы превращается сначала в дисахарид целлобиозу, а затем под действием фермента целлобиазы переходит в глюкозу. Микроорганизмы, разлагающие клетчатку, распространены больше всего в почве, а также встречаются в иле, навозе и даже в пищеварительном тракте многих животных.

Типичный представитель анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий Clostridium cellulosae omelianskii (рис. 14).

Рис. 14. Clostridium cellulosae omelianskii: 1 — молодые клетки; 2 — «барабанные палочки»; 3 — споры.

Впервые она выделена в 1902 г. Это палочковидная подвижная бактерия длиной 4—7 мкм при спорообразовании принимает вид барабанной палочки.

В природе встречаются разлагающие целлюлозу термофильные бактерии: C. thermocellum — небольшая грамотрицательная спорообразующая палочка и Bacillus cellulosae dissolvens — палочка длиной 12 мкм. Оптимальная температура для них 55— 56°С, реакция среды — близкая к нейтральной.

Из аэробных бактерий, разлагающих целлюлозу, особой активностью обладают бактерии рода Cytophaga из класса Myxobacteriae. Это длинные изогнутые грамотрицательные клетки без оболочки.

Из других видов бактерий, активно разлагающих целлюлозу, можно назвать следующие:

1. Cellvibrio — мелкие, слегка изогнутые палочковидные бактерии с закругленными концами, размером в среднем 1,5 мкм, чаще монотрихи или лофотрихи, грамположительные. При культивировании на бумаге образуют желтый пигмент. Оптимальная температура для их развития 28—30°С. Расщепление клетчатки протекает лучше при нейтральной или слабощелочной реакции.

2. Cellfacicula— палочка в виде серпа с заостренными концами, подвижная. При выращивании на фильтровальной бумаге выделяет зеленый пигмент.

Под влиянием аэробных форм бактерий клетчатка превращается в студенистое вещество, очень стойкое к действию микробов.

Кроме бактерий, разлагать клетчатку могут отдельные виды проактиномицетов, актиномицетов (Streptomyces) и грибов (Trichoderma, Botritis, Aspergillus и др.).

В кислых почвах разрушают целлюлозу главным образом грибы.

В почве при гидролизе клетчатки микроорганизмами образуется гумус. В пищеварительном тракте травоядных животных до 70% принятой с кормом клетчатки разлагается микробами, что способствует лучшей переваримости грубых кормов.

Расщепление лигнина. Лигнин разрушается очень немногими микроорганизмами, преимущественно актиномицетами, грибами и некоторыми бактериями. Из грибов, расщепляющих лигнин в почве, можно отметить представителей Merulius (рис. 15), Coniphora, Fusarium, Mucor.

Рис. 15. Merulius lacrymans. (домовой гриб)

Расщепление лигнина — всегда результат симбиоза или ассоциации бактерий. Так как это вещество обладает большой стойкостью, то процесс его разрушения протекает сравнительно медленно. Поэтому лигнин имеет тенденцию накапливаться в почве и служит основой образования гумусовых комплексов.

Распад пектиновых веществ. Пектиновые вещества представляют собой сложные полисахариды. Они как бы склеивают между собой клетки в растительных тканях. Их название происходит из-за способности давать студенистую массу при кипячении (греч. pectos — студнеобразный).

Полное расщепление пектина осуществляется под воздействием ферментов протопектиназы, пектиназы и пектазы до органических кислот, спиртов и газа. Пектинолитическими свойствами обладают многочисленные анаэробные бактерии, плесневые грибы, актиномицеты.

К возбудителям пектинового брожения в анаэробных условиях относятся спорообразующие подвижные грамположительные бактерии размером 10—15 мкм. Из них наиболее известны Clostridium pectinovorum и C. felsineus.

К аэробным бактериям, способным разлагать пектиновые вещества, принадлежат Bacillus mesenterctis, Pseudomonas fluoresces. Среди плесневых грибов наиболее активны Aspergillus niger, Penicillium и Botritis cinerea, В. subtilis (рис. 16).

Рис. 16. Bacillus subtilis.

Процесс распада пектиновых веществ широко используется при выделении из стеблей лубяных растений (лен, конопля, джут и др.) волокон, идущих на изготовление пряжи. Для разрушения пектиновых веществ лубяных растений применяют анаэробную водяную мочку.

После разрушения пектиновых веществ связи между лубяными волокнами и клетками других тканей стебля ослабевают и после высушивания легко отделяются механическим путем (трепанием и чесанием).

И про уксусно-кислое брожение

https://www.youtube.com/watch?v=UBdq-Oq4ULc для общего развития, очень интересный фильм