Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

     Пропионовокислое брожение связано с синтетическим процессом — усложнением молекулы пирувата, в результате которого создается более окисленная молекула акцептора, способная принять больше электронов с восстановленных переносчиков. Это происходит при присоединении к молекуле пирувата С02, приводящем к формированию четырех-углеродного скелета. Процесс получил название гетеротрофной ассимиляции углекислоты.

     Впервые гетеротрофная ассимиляция углекислоты была обнаружена в 1936 г. X.Вудом и К.Веркманом при изучении сбраживания глицерина пропионовыми бактериями. Карбоксилирование пирувата, приводящее к образованию щавелевоуксусной кислоты, получило название реакции Вуда— Веркмана.

У эубактерий обнаружены различные реакции карбо-ксилирования пирувата или его фосфорилированного производного. Показано, что реакции карбоксилирования имеют место у всех гетеротрофных прокариот, а также в клетках всех эукариотных организмов, включая высшие растения и животных.

Кроме того, в больших масштабах в природе реакции связывания С02 осуществляются автотрофными организмами в процессе хемо- и фотосинтеза.

В пропионовокислом брожении мы имеем дело с превращением пирувата — его карбоксилированием, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в про-пионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом (рис.

54). Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика С02. Донором С02-группы служит метилмалонил-КоА.

В результате реакции транс-карбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоА:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

    Рассмотрим теперь дальнейшую судьбу каждого из двух продуктов реакции, а также вопрос о происхождении одного из субстратов реакции — метилмалонил-КоА. (Основным источником пировиноградной кислоты служит процесс гликолитического расщепления гексоз или окислительные превращения, если в качестве субстрата брожения используют, например, диоксиацетон или глицерин.)

ЩУК в результате трех ферментативных этапов (аналогичных реакциям 6, 7, 8 цикла трикарбоновых кислот, см. рис. 92) пре¬вращается в янтарную кислоту:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

    Следующая реакция заключается в переносе КоА-группы с пропионил-КоА на янтарную кислоту (сукцинат), в результате чего образуются сукцинил-КоА и пропионовая кислота:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

      Образовавшаяся пропионовая кислота выводится из процесса и накапливается вне клетки. Сукцинил-КоА превращается в метил-малонил-КоА:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

    В состав кофермента метилмалонил-КоА-мутазы входит витамин В12- Перегруппировки типа, указанного в приведенном выше уравнении, характерны для реакций, катализируемых ферментами, содержащими витамин В12.

В описанной выше реакции происходящие перемещения атомов в молекуле сводятся к двум типам: изменению углерод-углеродных связей и перераспределению водорода между углеродными атомами (рис. 55).

Реакция, катализируемая мутазой, — ключевая в пропионовокислом брожении, так как в ней подготавливается субстрат, являющийся предшественником пропионовой кислоты.

    Из схемы, представленной на рис. 54, можно видеть, что образование пропионовой кислоты из пировиноградной — результат взаимосвязанного функционирования двух циклов: цикла переноса одноуглеродного фрагмента и цикла переноса кофермента А.

    Кофермент А, принимающий активное участие в пропионовокислом брожении, относится к группе мононуклеотидов.

Он содержит аденин, ZJ-рибозу, пирофосфатную группу и пептидоподобное соединение, в состав которого входит пантотеновая кислота — еще один витамин группы В. Функция кофермента А заключается в переносе ацильных групп (RCO»).

Ацильная форма КоА представляет собой тиоэфир. Тиоэфирная связь, образующаяся между карбоксильной группой кислоты и тиоловой группой КоА, является высокоэнергетической.

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы. Расчет стоимостиГарантииОтзывы

     Итак, разобранный выше поток реакций приводит к синтезу пропионовой кислоты. Однако пропионовокислое брожение — более сложный процесс, поскольку наряду с пропионовой кисло¬той в качестве продуктов брожения образуются уксусная, янтарная кислоты и С02.

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

    В схеме, изображенной на рис. 54, янтарная кислота образуется как промежуточное соединение на пути, ведущем к синтезу пропионата; но она может накапливаться в среде и как конечный продукт.

К образованию сукцината, количество которого зависит от содержания С02 в среде, ведет последовательность реакций, начинающаяся с карбоксилирования ФЕП (рис.

56), в которой остаток фосфорной кислоты ФЕП переносится на неорганический фосфат, что приводит к образованию пирофосфата:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

     Дальнейшие превращения ЩУК до янтарной кислоты аналогичны реакциям 2—4, изображенным на рис. 54.

     Многие пропионовые бактерии сбраживают глюкозу так, что на каждую молекулу пирувата, окисленную до уксусной кислоты и С02, приходятся 2 молекулы пирувата, восстановленные до пропионовой кислоты.

Путь превращения пирувата, приводящий к образованию уксусной кислоты и С02, представлен на рис. 56. На этом пути имеют место окислительно-восстановительные реакции, идущие с вовлечением новых молекул НАД+.

Пируват подвергается окислительному декарбоксилированию с участием кофермента А:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

    Процесс катализируется пируватдегидрогеназным комплексом и практически необратим. В результате образуется ацетил-КоА, содержащий высокоэнергетическую тиоэфирную связь, ацетильная группа с которого переносится на неорганический фосфат, что приводит к образованию ацетилфосфата и регенерированию кофермента А:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

    В этой реакции энергия, заключенная в тиоэфирной связи, реализуется в виде высокоэнергетической фосфатной связи ацетил-фосфата.

    И наконец, ацетилфосфат донирует фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ и уксусной кислоты:

Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.
Пропионовокислое брожение. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Гомоацетатное брожение. Получение энергии окислительным фосфорилированием. Дыхание.

   Итак, на участке от пирувата до ацетата образуется 1 молекула НАД ■ Н2 и 1 молекула АТФ. Энергетическое значение для пропионовых бактерий этого участка метаболического пути очевидно и не требует обсуждения.

    Кроме основных продуктов в разных количествах в культуральной жидкости пропионовых бактерий обнаружены молочная, муравьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бактерий, состава среды и условий культивирования. Это касается как видов накапливаемых продуктов, так и количественных соотношений между ними.

    Теоретически пропионовое брожение должно приводить к образованию 4 молекул АТФ при сбраживании 1,5 молекулы глюкозы. Однако было обнаружено, что выход энергии несколько выше.

Источником дополнительных молекул АТФ, возможно, является этап восстановления фумаровой кислоты до янтарной, катализируемый фумаратредуктазой (см. рис. 54).

Получены экспериментальные данные в пользу того, что восстановление фумарата до сукцината — процесс, в результате которого некоторые первично анаэробные эубактерий могут синтезировать АТФ по механизму фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов.

Показано, что фумаратредуктаза связана с мембраной и образует комплекс с переносчиком электронов хиноном. В составе комплекса обнаружен цитохром b. Фумаратредуктазная система найдена у пропионовых бактерий. Этой системе придается большое значение в эволюции как, возможно, первому шагу на пути создания многокомпонентных электронтранспортных цепей у эубактерий.

    Энергетическая эффективность пропионовокислого брожения связана также с выработкой пропионовыми бактериями новых метаболических способностей: реакций транскарбоксилирования и перегруппировки, участия в процессе КоА-производных.

Образование дикарбоновой кислоты из пировиноградной с использованием механизма транскарбоксилирования вместо прямого карбоксилирования пирувата позволяет избежать дополнительных энергетических затрат на этом этапе брожения.

Все это вместе взятое позволяет рассматривать пропионовокислое брожение как более совершенный из рассмотренных до сих пор способов получения энергии в анаэробных условиях.

     В группу пропионовокислых бактерии, объединяемую в род Propionibacterium, входят грам-положительные, неподвижные, не образующие спор палочковидные бактерии, размножающиеся бинарным делением. В зависимо¬сти от условий культивирования и цикла развития форма клетки может меняться до кокковидной, изогнутой или булавовидной. Типовой вид — P. freudenreichii.

     Большинство пропионовокислых бактерий — аэротолерантные анаэробы, получающие энергию в процессе брожения, основным продуктом которого является пропионовая кислота.

Аэротолерантность их обусловлена наличием полностью сформированной ферментной системы защиты от токсических форм кислорода (супероксидный анион, перекись водорода). У пропионовокислых бактерий обнаружены супероксиддисмутазная, каталазная и пероксидазная активности.

Внутри группы отношение к кислороду различно. Некоторые виды могут расти в аэробных условиях.

     Брожение не исчерпывает всех возможностей получения энергии этой группой эубактерий.

Хотя гликолитическое расщепление глюкозы с образованием в качестве обязательного промежуточного соединения пировиноградной кислоты является основным путем разложения глюкозы, кроме этого пути в группе пропионовых бактерий обнаружен окислительный пентозофосфатный путь, реакции ЦТК, активное «флавиновое дыхание» и окислительное фосфорилирование, сопряженное с электронтранспортной системой.   Вклад каждого из этих путей в общий энергетический метаболизм зависит как от вида бактерий, так и от конкретных внешних условий. Эволюция пропионовых бактерий определенно шла по пути приспособления к аэробным условиям. У некоторых видов обнаружен «эффект Пастера»: в присутствии кислорода воздуха происходит переключение с брожения на дыхание. Пропионовые бактерии могут синтезировать гемсодержащие белки. В их клетках обнаружены цитохромы.

     Важную роль в аэробном метаболизме пропионовых бактерий играет «флавиновое дыхание», которому приписывают основную связь этих бактерий с молекулярным кислородом.

В процессе «флавинового дыхания» происходит перенос двух электронов с флавопротеинов на 02, сопровождающийся образованием перекиси водорода, которая разлагается бактериальной каталазой и пероксидазой. Однако «флавиновое дыхание» не связано с получением клеткой энергии.

Читайте также:  Раны. Ушивание ран кожи. Этапы ушивания ран кожи.

Транспорт электронов в дыхательной цепи некоторых пропионовых бактерий сопровождается образованием АТФ, что может указывать на подключение к этому процессу цитохромов, однако эффективность окислительного фосфорилирования низка.

Последнее, вероятно, объясняется несовершенством механизмов сопряжения. В то время как в аэробных условиях конечным акцептором электронов с НАД ■ Н2 является 02, в анаэробных условиях им может быть нитрат, фумарат.

     Таким образом, в группе пропионовых бактерий мы впервые при рассмотрении эубактериальных форм сталкиваемся с большим разнообразием энергетических возможностей.

В целом у пропионовых бактерий достаточно четко просматриваются две тенденции: с одной стороны, усовершенствование основного анаэробного способа получения энергии, с другой — попытки приспособления и, более того, рационального использования молекулярного кислорода.

     Конструктивный метаболизм пропионовых бактерий претерпел дальнейшую эволюцию в сторону большей независимости от органических соединений внешней среды.

Пропионовые бактерии характеризуются хорошо развитыми биосинтетическими способностями и могут расти на простой синтетической среде с аммонийным азотом в качестве единственного источника азота при добавлении к среде пантотеновой кислоты и биотина, а для некоторых видов и тиамина. У ряда пропионовых бактерий обнаружена способность к азотфиксации.

     Местообитание пропионовых бактерий — кишечный тракт жвачных животных, молоко, твердые сыры, в приготовлении которых они принимают участие.

После молочнокислого брожения, когда лактоза превращена в молочную кислоту, начинают размножаться пропионовые бактерии, сбраживающие молочную кислоту с образованием уксусной и пропионовой кислот. Эти кислоты придают сырам специфический острый вкус.

Пропионовые бактерии используют в микробиологической промышленности в качестве продуцентов витамина Вп.

Пропионовокислое брожение

Пропионовокислое брожение — это превращение сахара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды:

Некоторые пропионовокислые бактерии образуют, кроме того, небольшое количество других кислот (муравьиной, янтарной, изова- лериановой).

При пропионовокислом брожении превращение глюкозы до пи- ровиноградной кислоты протекает также по гликолитическому пути. В дальнейшем пировиноградная кислота, претерпевая ряд превращений, восстанавливается в пропионовую.

Брожение вызывают бактерии, относящиеся к семейству Propionibacteriaceae, роду Propioni- bacterium. Это неподвижные, бесспоровые, грамположительные палочки, слегка искривленные.

В неблагоприятных условиях развития клетки нередко принимают булавовидную форму (рис. 36).

Рис. 36. Пропионовокислые бактерии

Пропионовокислые бактерии требовательны к пище (источнику азота и витаминов). Большинство не развиваются при pH среды ниже 5,0—4,5. Они факультативные анаэробы, но могут переносить лишь низкое парциальное давление кислорода. Оптимальная температура их развития 30—35 °С; погибают при температуре 60—70 °С.

Эти бактерии помимо сахаров и молочной кислоты способны сбраживать пировиноградную кислоту, глицерин и некоторые другие вещества. Они разлагают (дезаминируют) аминокислоты, при этом выделяются жирные кислоты.

Пропионовокислое брожение является одним из важных процессов при созревании сычужных сыров.

Пропионовая кислота и ее соли служат ингибиторами мицели- альных грибов и могут быть использованы для предотвращения плес- невения продуктов. Некоторые виды, например P.freudenreichii subsp. shermanii, применяют для получения витамина В12.

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода, по уравнению

В качестве побочных продуктов брожения при этом получаются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.

Химизм маслянокислого брожения. При этом брожении сахар претерпевает те же превращения, что и при спиртовом и гомофермента- тивном молочнокислом брожениях, вплоть до образования пирови- ноградной кислоты (рис. 37).

Пировиноградная кислота при участии кофермента А(КоА) расщепляется до ацетилКоА (СН3СОКоА), С02 и Н2. Две молекулы образовавшегося двууглеродного соединения конденсируются при участии фермента карболигазы.

Из синтезированного четырехуглеродного соединения (ацетоацетилКоА) в сложном цикле последовательных превращений образуется масляная кислота.

Рис. 37. Схема маслянокислого брожения

Возбудители маслянокислого брожения. Маслянокислые бактерии представляют собой подвижные, довольно крупные грамположитель- ные палочки, они образуют споры, которые располагаются центрально или ближе к концу палочки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки (рис. 38). Споры довольно термоустойчивы, выдерживают кипячение в течение нескольких минут.

Особенностью этих бактерий является наличие в клетках запасного вещества — крахмалоподобного полисахарида гранулезы (в виде зернышек-гранул), окрашиваемого йодом в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет.

Эти бактерии — строгие анаэробы. Оптимальная температура их развития 30—40 °С, но есть и термофильные, у которых оптимум 70 °С. Они чувствительны к кислотности среды: оптимум pH 6,9—7,4, а при pH ниже 4,5—4,9 развитие прекращается.

Рис. 38. Маслянокислые бактерии

Маслянокислые бактерии относятся к семейству Bacillaceae рода Clostridium. Типичным их представителем является Cl.butyricum.

Многие из них способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные соединения — декстрины, крахмал, пектиновые вещества, глицерин, соли молочной кислоты. По отношению к источникам азота эти бактерии неприхотливы. Они могут усваивать азот как белковый и аминокислотный, так и аммонийный; некоторые виды используют даже свободный азот из воздуха.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Постоянные места их обитания — почва, илистые отложения на дне водоемов, скопления разлагающихся растительных остатков. Встречаются они в различных пищевых продуктах.

Практическое значение маслянокислого брожения. В природе это брожение имеет положительное значение как звено в цепи многообразных превращений органических веществ. В народном хозяйстве оно часто приносит значительный ущерб.

Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов (бомбаж), прогоркание молока, масла, увлажненной муки и т. д.

Они вызывают порчу квашеных овощей при замедленном молочнокислом брожении; образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.

Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты, которую широко используют в промышленности. Сырьем в этом производстве служат сахар или крахмалосодержащие отходы различных отраслей промышленности.

Масляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с неприятным резким запахом. Эфиры масляной кислоты отличаются приятным ароматом, например, метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый — грушевый, амиловый — ананасовый. Их используют в качестве ароматических веществ в кондитерской и парфюмерной промышленности, а также при изготовлении фруктовых напитков.

Брожение пектиновых веществ

В тканях растений пектины входят в состав клеточных стенок и срединных пластинок между отдельными клетками. Под воздействием пектолитических ферментов микроорганизмов, развивающихся в растительном пищевом сырье, протопектин превращается в растворимый пектин.

Пектин разлагается с образованием галактуроновых кислот, углеводородов (ксилозы, галактозы, арабинозы), метилового спирта и других веществ. Сахара сбраживаются бактериями по типу маслянокислого брожения с образованием кислот уксусной и масляной, С02 и водорода.

Все эти процессы приводят к мацерации (распаду) пораженных объектов и другим видам повреждений.

Возбудителями брожения являются спорообразующие анаэробные, подвижные бактерии рода Clostridium.

В природе (в воде, почве) пектинразрушающие бактерии играют большую роль в процессе разложения растительных остатков.

Пектиновое брожение лежит в основе процесса мацерации лубо- волокнистых прядильных растений (льна, конопли и др.) при их водяной мочке на льнозаводах. Цель брожения — отделение находящихся в стеблях этих растений пучков целлюлозы волокон от других тканей, с которыми они склеены пектином.

Брожение клетчатки

Клетчатка (целлюлоза) является основным веществом клеточных стенок растений. Брожение клетчатки состоит в разложении ее в анаэробных условиях палочковидными спорообразующими бактериями рода Clostridium.

Обладая ферментами целлюлазой и целлобиазой, они гидролизуют клетчатку до глюкозы. Глюкозу они сбраживают с образованием кислот (уксусной, молочной, муравьиной), этилового спирта, С02 и Н2. Среди этих бактерий есть мезофиллы и термофилы.

Биохимическая деятельность бактерий имеет большое значение в круговороте углерода в природе.

ПОИСК

    Различают много видов брожения спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, ацетонобутиловое и др. Для очистки сточных вод используются анаэробные процессы, где преобладает метановое брожение, в результате которого образуется метан. [c.

Читайте также:  Получение энергии при окислении химических соединений. Бактерии хемотрофы. Получение энергии субстратным фосфорилированием. Брожение.

241]

    Кислую фазу брожения осуществляют обычные сапрофиты факультативные анаэробы типа молочнокислых, пропионовокислых бактерий и строгие (облигатные) анаэробы типа маслянокислых, ацетонобутиловых, целлюлозных бактерий.

Большинство видов бактерий, ответствен- [c.264]

    Кроме спиртового брожения, у микроорганизмов существует еще ряд специфических путей утилизации трехуглеродных соединений, возникающих в результате дихотомического распада углеводов. Сюда относятся молочнокислое и пропионовокислое брожение, ацетоноэтиловое и ацетонобутиловое брожение, маслянокислое брожение и др. [c.352]

    По преобладанию тех или иных конечных продуктов маслянокислое брожение подразделяется на 1) собственно маслянокислое брожение (брожение глюкозы, крахмала) 2) ацетонобутиловое брожение 3) брожение пектиновых веществ. [c.97]

    При ацетонобутиловом брожении образуются ацетон и бутиловый спирт. Известны лимоннокислое брожение (используется для получения лимонной кислоты), маслянокислое и другие виды брожения. [c.272]

    Культивирование в вязких средах. Диффузия кислорода в жидкость уменьшается с увеличением ее вязкости. Поэтому в вязких средах, таких. как картофельная или среды с кукурузной либо другой мукой, хорошо развиваются некоторые облигатные анаэробы, например, возбудители маслянокислого или ацетонобутилового брожения. Вязкость жидких сред легко увеличить, если добавить к ним 0,2—0,3% агара. [c.60]     Продукты биохимических процессов широко применяются в производстве лекарственных и душистых веществ. К числу этих продуктов относятся этиловый спирт, частично получаемый путем спиртового брожения -бутиловый спирт и ацетон—продукты ацетонобутилового брожения н-масляная кислота, получаемая маслянокислым брожением изоамнловый спирт, входящий в состав сивушного масла (побочный продукт винокурения). [c.570]     Ко1. Маслянокислое В. также идет по пути спиртового Б. до пировиноградной к-ты или до уксусного альдегида, в ферментативном превращении к-рых в масляную к-ту наряду с уже упоминавшимися ко-ферментами участвуют коэнзим А (Ко А) и флавин-адениннуклеотид (ФАД) и его восстановленная форма (ФАД Н. ). Пировиноградная к-та, уксусный альдегид и уксусная к-та являются промежуточными продуктами и при ацетопоэтиловом, ацетонобутиловом, про-пионовокислом, 2—3-бутиленгликолевом брожениях. [c.234] Смотреть страницы где упоминается термин Брожения маслянокислое и ацетонобутилово: [c.52]    [c.128]    [c.158]   
Микробиология (2006) — [ c.128 ]

  • Брожение
  • Брожения брожение
  • Маслянокислое брожение

© 2022 chem21.info Реклама на сайте

Маслянокислое брожение

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:

С6Н12О6 = С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2 + 20 ккал

В качестве побочных продуктов при этом получаются этиловый и бутиловый спирты, уксусная кислота и другие. 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 от 30 °С до 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.

Маслянокислые бактерии способны сбраживать как простые сахара, так и более сложные углеводы — крахмал, пектиновые вещества и другие, а также глицерин. Эти бактерии широко распространены в природе, находясь в почве, в иле озер, прудов и болот, в скоплениях различных остатков и отбросов, навозе, загрязненной воде, молоке, сыре и так далее. Вызываемое этими бактериями брожение имеет важное значение в превращениях веществ в природе.

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 так далее.

Пропионовокислое брожение

Пропионовокислое брожение представляет собой процесс превращения сахара или молочной кислоты в пропионовую и уксусную кислоты с образованием углекислоты и воды:

3C6H12О6 = 4С2Н5СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2H2O

Брожение вызывается пропионовокислыми бактериями. Это короткие, неподвижные, бесспоровые анаэробные палочки, оптимальная температура развития которых около 30 °С. Пропионовокислые бактерии близки к молочнокислым бактериям и нередко развиваются вместе с ними.

Следует отметить, что пропионовокислому брожению могут подвергаться не только молочная кислота, но и ее соли. Это брожение имеет важное значение в созревании сыров.

Молочная кислота (вернее, ее кальциевая соль), образующаяся в результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий, под влиянием пропионовокислых бактерий превращается в пропионовую кислоту, уксусную кислоту и углекислый газ.

Выделение углекислоты приводит к образованию глазков в сыре, придающих ему характерный ноздреватый рисунок. Пропионовая и уксусная кислоты способствуют образованию специфического сырного вкуса и запаха.

Пропионовокислые бактерии используются также для получения витамина B12.

Лимоннокислое брожение

При лимоннокислом брожении сахар под воздействием грибов окисляется в лимонную кислоту. Эту кислоту раньше получали из сока цитрусовых — лимонов и апельсинов. В настоящее время ее производят в основном путем брожения. В качестве возбудителя лимоннокислого брожения применяется гриб асспергиллус нигер.

Сырьем для производства лимонной кислоты служит сахаросодержащий продукт — меласса. Мелассный раствор, включающий около 15 % сахара и необходимые грибу питательные вещества, разливают в плоские открытые сосуды и засевают спорами гриба. Сосуды помещают в бродильные камеры, которые хорошо проветривают. Процесс брожения продолжается от 6 до 8 дней при температуре около 30 °С.

В последнее время начинают применять новый метод получения лимонной кислоты. При этом гриб находится не на поверхности сбраживаемого субстрата, а внедряется своим мицелием в толщу субстрата, который энергично насыщают воздухом. Такой способ ускоряет процесс накопления лимонной кислоты в сбраживаемом субстрате.

Лимонная кислота находит широкое практическое применение, она используется, например, при изготовлении кондитерских и кулинарных изделий, безалкогольных напитков.

брожение бактерия дрожжи плесень

Химизм брожения и типы брожения

Дыхание дрожжевых 
грибков представляет особый интерес 
и особенно важно для виноделия.

Дрожжевые грибки нуждаются в теплоте для своей 
жизнедеятельности, и тепло это добывают тем, что сжигают углеводы (сахар и т. п. вещества), при этом и выделяется теплота.

Но в отличие от более совершенных организмов — человека и животных — дрожжевые грибки сжигают эти углеводы не до конца, а прерывают сгорание как бы на середине, довольствуясь для своей жизни лишь этим неполным сгоранием.

При этом этот углевод — сахар дрожжевые грибки превращают в спирт и углекислый газ.

Дрожжевых грибков, бактерий и других организмов имеется 
очень много разных видов и 
между ними есть такие, которые, подхватывая недоконченную работу дрожжей спиртового брожения, ведут ее дальше.

Таковы, например, бактерии и грибки уксусного брожения, которые сжигают (опять таки частично) образовавшийся спирт и превращают его в уксусную кислоту, выделяя при этом некоторое количество калорий тепла и продолжая, следовательно, процесс дыхания (сжигания сахара) дальше. Имеются организмы, которые дальше разлагают уксусную кислоту и т.

д. до тех пор, пока в конце концов все не превратится в углекислый газ и воду, т. е. пока процесс сжигания сахара не будет доведен до конца.

Другие дрожжевые 
грибки, бактерии и прочие низшие организмы, сжигая сахар, превращают его в молочную, масляную кислоты, но и тут не происходит сжигания до конца и оно продолжается, в свою очередь, другими новыми организмами.

При этом некоторые из дрожжевых грибков именно той группы, которая продолжает работу спиртовых дрожжей, не могут жить без доступа воздуха, и для них необходим кислород.

Как мы увидим, это — чрезвычайно важное обстоятельство очень полезное для винодела.

Таким образом, рассматривая брожение, т. е. жизнедеятельность 
грибков, бактерий и др. низших организмов, как одну из стадий (частей) одного общего процесса дыхания (сгорания углеводов), в настоящее время ученые считают, что обратно — и дыхание человека состоит из целого ряда отдельных брожений, идущих вслед одно за другим.

Большое значение имеет сжигание сахара при работе дрожжевых грибков. Замечено, что 
внутри каждого тельца дрожжевого грибка содержится жидкость, которая и названа дрожжевым соком.

В этом соке содержатся особые вещества, прежде называвшиеся ферментами, а теперь называемые энзимами.

Эти энзимы, действуя на сахар и другие углеводы, и производят то частичное сжигание их, о котором говорилось выше, выделяют тепло, необходимое для жизни дрожжей, и те вещества, которые нам желательны.

Таких энзимов 
уже в настоящее время изучено 
много видов, ибо у каждого 
вида грибков, бактерий и других организмов имеется свой собственный энзим.

Так, у дрожжевых грибков, вызывающих спиртовое брожение, в соке содержится энзим, названный алкоголязой, который, действуя на сахар, содержащийся в фруктовом соке, превращает его в спирт и углекислый газ.

Это превращение сахара в спирт и называется спиртовым брожением.

Читайте также:  Афала - инструкция по применению, аналоги, отзывы и формы выпуска (таблетки для рассасывания 3 мг) препарата для лечения гиперплазии предстательной железы и простатита у мужчин и взаимодействие с алкоголем

Кроме спиртового брожения, в фруктовом соке может возникнуть и брожение иного характера. Так, если в сок попадут бактерии и грибки, превращающие сахар в уксусную кислоту, то и происходит брожение уксуснокислое. Это брожение важно при производстве уксуса.

Молочнокислое брожение, при котором образуется молочная кислота, необходимо при заквашивании кормов, капусты, для квасоварения и др. Масляно-кислое брожение, при котором образуется масляная кислота, вызывает прогорклость коровьего масла, и др.

Для виноделия 
самым главным является брожение спиртовое. Все же прочие виды брожении при виноделии совершенно нежелательны, ибо вызывают болезни и порчу вина.

Как уже говорилось выше, одним из трех принципиально 
возможных способов регенерации 
АТФ является брожение. Брожение – это наиболее примитивный  способ получения энергии, присущее определенным группам бактерий и грибов.

«Брожение» — это 
микробиологический термин. Он характеризует энергетическую сторону способа существования микроорганизмов, при котором углеводы в анаэробных условиях частично изменяются и становятся окисленными по сравнению с исходным субстратом.

Следовательно, брожение – это процесс, в котором имеет место сопряженное окисление-восстановление сбраживаемого субстрата без участия кислорода, т.е. только за счет внутренних окислительно-восстановительных возможностей субстрата. При этом продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами.

Продуктом окисления является углекислый газ, а продуктом восстановления – органические кислоты, спирты и др.

  •                    брожение
  • С6Н12О6
                               2С2Н5ОН + 2СО2 + 31 200 кал
  • глюкоза      спиртовое             этиловый
  •                                                       спирт  

Примитивность процесса брожения заключается в 
том, что из субстрата извлекается 
лишь незначительная часть той химической энергии, которая в нем содержится. В результате образуется и запасается энергия в форме АТФ.

При брожении характер образовавшихся продуктов определяется природой конечных акцепторов электронов. Например, если конечным акцептором электронов является ацетальдегид, то образуется этиловый спирт; если пируват – молочная кислота.

В результате получения электронов вещества восстанавливаются, и они выделяют из клеток микроорганизмов в окружающую среду, накапливаясь в значительных количествах. В зависимости от того, какой продукт накапливается в среде, различают несколько типов брожения.

Каждый тип брожения вызывается особой группой  микроорганизмов и дает специфические конечные продукты. Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение – облигатные анаэробы, а некоторые – факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него.

Все типы брожения  схематично могут быть рассмотрены как процессы, проходящие в две стадии. Первая стадия включает разрыв углеродной цепи глюкозы и отнятие двух пар атомов водорода. Например,  превращение глюкозы в пировиноградную кислоту:

  1.              С6Н12О6→ 2СН3-СО-СООН + 4Н
  2.                                глюкоза        пировиноградная
  3.                                                             кислота     

Это окислительная часть 
брожения. Во второй стадии атомы водорода используются для восстановления пировиноградной 
кислоты. При молочнокислом брожении последняя превращается в молочную кислоту:

  •                   2СН3-СО-СООН + 4Н → 2СН3-СНОН-СООН
  •      пировиноградная                        молочная кислота
  •             кислота    
  • При других бродильных процессах 
    вторая стадия протекает иначе и образуется другой продукт вместо молочной кислоты.

Брожение-это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТР, а продукты расщепления органического 
субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Реакции, приводящие к фосфорилированию ADP, являются реакциями окисления.

От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя С02. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на NAD. Акцепторами водорода, находящегося в составе NADH2, служат промежуточные продукты расщепления субстрата.

При регенерации NAD последние восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

При сбраживании углеводов 
и ряда других веществ образуются (по отдельности или в смеси) такие 
продукты, как этанол, лактат, пропио-нат, формиат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутан-диол, ацетон, 2-пропанол, С02 и Н2.

В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, масля-нокислое и уксуснокислое брожение. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует: «Брожение-это жизнь без воздуха» (Л. Пастер).

Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение,-обли-гатные анаэробы, а некоторые-факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него; при этом кислород подавляет брожение и оно сменяется дыханием.

Чаще всего в процессах 
брожения микроорганизмы используют углеводы.

Образование молекул 
АТФ при брожении происходит путем субстратного фосфорилирования.

Первый этап окисления углеводов в процессе брожения (рис. 1) включает гидролиз углеводов до простых сахаров и изомеризацию их до глюкозы.

Пути 
расщепления гексоз

Последовательные ферментативные реакции от глюкозы до пировиноградной кислоты называют гликолизом.

У микроорганизмов известны три различных пути, ведущие к образованию пировиноградной кислоты из глюкозы. Глюкоза сначала превращается в глюкозо- 6- фосфат.

Последний превращается в пировиноградную кислоту тремя путями: фруктозо-1,6-дифосфатный путь, пентозофосфатный путь и путь Энтнера- Дудорова.

Фруктозо-1,6-дифосфатный 
путь расщепления глюкозы (схема 
Эмбдена-Мейергофа-Парнаса). В этом процессе глюкозо-6-фосфат превращается во фруктозо-6-фосфат под влиянием глюкозофосфатизомеразы, а далее во фруктозо-1,6-дифосфат под действием фосфофруктокиназы.

Затем под действием фруктозодифосфатальдолазы из последнего образуется два трехуглеродных сахара. Все эти реакции характерны именно для этого пути гликолиза. Далее образуется 3-фосфоглицериновый альдегид, который через ряд этапов превращается в пировиноградную кислоту (пируват).

  Данный путь окисления глюкозы хорошо изучен у бактерий Escherichia coli, Bacillus subtilis, Streptomyces griseus и грибов Candida utilis, Penicillium chrysogenum.

Пентозофосфатный (или гексозомонофосфатный) путь расщепления 
глюкозы. Этот путь расщепления глюкозы встречается  у многих микроорганизмов.

Глюкозо-6-фосфат превращается в 6-фосфоглюконолактон под влиянием глюкозо-6-фосфатдегид-рогеназы, а затем глюконолактоназой гидролизуется до 6-фосфоглюконовую кислоту.

Последний дегидрируется дегидрогеназой до 3-кето-6-фосфоглюконовой кислоты, которая претерпевает окислительное декарбоксилирование и превращается в рибулозо-5-фосфат. Рибулозо-5-фосфат  через ряд этапов превращается в пировиноградную кислоту.

Характерным для этого пути является образование рибулозо-5-фосфата и других монофосфатов. Данный путь окисления глюкозы достаточно изучен у бактерий Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas aeruginosa, Gluconobacter oxydans и грибов Candida utilis, Penicillium chrysogenum.

2-Kето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный 
путь расщепления глюкозы (путь 
Энтнера-Дудорова). Этот путь найден как у анаэробных, так и аэробных бактерий.

Глюкозо-6-фосфат сначала, как это было описано выше для пентозофосфатного пути, дегидрируется до 6-фосфоглюконата. Под действием фсофоглюконатдегидрогеназы от него отщепляется вода и образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат.

Кетодезоксифосфоглюконат расщепляется специфической альдолазой до пировиноградной кислоты и глицеральдегид-3-фосфат.

 Последний окисляется 
до пировиноградной кислоты, так  
же как и в фруктозо-фосфатном 
пути. Этот путь окисления глюкозы  
характерен для бактерий Pseudomonas aeruginosa, P.saccharophila и Alcaligenes eutrophus.

На 
втором этапе глюкоза через ряд последовательных реакций окисляется в пировиноградную кислоту. Этот процесс называется гликолизом. Основными стадиями гликолиза являются присоединение фосфатных групп от молекулы АТФ и превращение во фруктозо-1,6-дифосфат.

Далее фруктозо-1,6-дифосфат превращается в фосфоглицериновый альдегид, который через ряд последовательных реакций превращается в пировиноградную кислоту. При этом образуется свободная энергия, достаточная для образования 4 молекул АТФ.

Но так как 2 АТФ затрачиваются на активацию глюкозы, то энергетическая ценность любого брожения – образование из одной молекулы глюкозы двух молекул АТФ (энергетическая ценность брожения). Следует отметить также, что при гликолизе восстанавливается дегидрогеназа (2 НАДН2).

                    2 АТФ                      ¯

   глюкоза      

                    ¯

Фруктозо-1,6-дифосфат
                    4 АТФ
  1.                      ¯
  2.                2 ФГА
  3. (фосфоглицериновый альдегид)
  4.                      ¯
  5.                  2 ПВК
  6. (пировиноградная кислота)
2 НАДН2

Рис. 1 — Схема окисления углеводов в процессе брожения

Третий этап. Пировиноградная кислота при серии последовательных реакций претерпевает превращения, характер которых зависит от ферментативных особенностей того или иного возбудителя. Так, в клетках дрожжей имеются специфические ферменты – пируватдекарбоксилаза и алкогольдегидрогеназа, осуществляющие превращение ПВК в этиловый спирт.

ГЛАВА 2 ТИПЫ БРОЖЕНИЯ

2.1. Типы брожения

В процессе брожения в зависимости 
от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, различают следующие типы брожения: молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, маслянокислое, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое, уксуснокислое, метановое и др.

2.2. Спиртовое брожение

  • При спиртовом брожении микроорганизмы разлагают углеводы с образованием этилового спирта как основного продукта брожения:
  •                                              брожение
  •                           С6Н12О6
                                2С2Н5ОН + 2СО2
  •                              глюкоза                                 этиловый 
  •                                                                                спирт
  • Спиртовое брожение, вызываемое дрожжами и бактериями

Этиловый спирт (этанол) — один из широко распространенных продуктов 
сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и многие грибы в 
анаэробных условиях накапливают этанол. Главные продуценты этанола — дрожжи, особенно штаммы Saccharomyces cerevisiae.

Дрожжи, как и большинство других грибов, осуществляют аэробное дыхание, но без доступа воздуха они сбраживают углеводы до этанола и СО2.

У ряда анаэробных и факультативно-анаэробных бактерий этиловый спирт тоже является главным или побочным продуктом сбраживания гексоз или пентоз.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector