Какие продукты маслянокислого брожения вызывают разрывание агаризованной среды при глубинном посеве

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 19.09.2024

В основе процессов распада безазотистых органических веществ лежат различные формы брожения, которые постоянно происходят в природе. Брожение – анаэробное дыхание, при котором микроорганизмы используют выделяющуюся энергию для своей жизнедеятельности.

Впервые биологическую природу брожения открыл в 60-х годах 19 в. гениальный французский ученый Луи Пастер. Пастеру удалось на примере молочнокислого, спиртового и маслянокислого брожения доказать, что эти процессы вызываются жизнедеятельностью микроорганизмов.

Спиртовое брожение углеводов вызывают дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), некоторые виды бактерий (Sarcina ventriculi) и отдельные представители мукоровых грибов рода Mucor. При спиртовом брожении молекула гексозы распадается на этанол и углекислый газ. В ходе брожения образуется много промежуточных продуктов — гексозомонофосфат, фруктозодифосфат, фосфотриозы, фосфоглицериновая кислота, фосфопировиноградная кислота, пировиноградная кислота, уксусный альдегид и, наконец, этиловый спирт.

Уксуснокислое брожение — биологический окислительный процесс, при котором с помощью уксуснокислых бактерий спирт окисляется в уксусную кислоту. Если какую-либо жидкость, содержащую небольшое количество спирта (вино, пиво), оставить открытой, то в ней постепенно появляется уксусная кислота и кожистая пленка (уксусная матка) на поверхности. Уксуснокислые бактерии объединены в род Acetobacter, содержащий ряд видов и подвидов. Этиловый спирт под влиянием уксуснокислых бактерий подвергается окислению, в результате которого вначале образуется уксусный альдегид, а затем — уксусная кислота. При использовании специальных рас уксуснокислых бактерий максимальный выход уксуса достигает 14,5%. Уксуснокислые бактерии превращают ряд многоатомных спиртов в сахар. Одна из таких реакций используется для получения сорбозы из сорбитола. Сорбоза — промежуточный продукт синтеза аскорбиновой кислоты. Она применяется в качестве суспендирующего агента при изготовлении многих лекарственных препаратов. Уксуснокислые бактерии могут наносить вред в виноделии и пивоваренной промышленности, вызывая прокисание вина и пива.

Молочнокислое брожение — широко распространенное биохимическое явление, давно известное на примере скисания молока. Под влиянием молочнокислых бактерий (семействоLactobacillaceae) лактоза расщепляется на составляющие ее гексозы — глюкозу и галактозу, которые затем специфическими ферментами превращаются в молочную кислоту. Свертывание молока происходит вследствие того, что молочная кислота отщепляет кальций от казеина, белок превращается в параказеин и выпадает в осадок. Молочнокислые бактерии широко распространены в природе. Они обнаруживаются в молоке, воздухе, на коже, шерсти, в тонком и толстом кишечнике и представлены большим количеством видов палочковидных и кокковидных бактерий, различающихся не только по морфологии, но и физиологическим свойствам (по использованию различных источников углерода и азота).

Маслянокислое брожение также широко встречается в природе. Возбудитель маслянокислого брожения был открыт Л. Пастером. На примере маслянокислого брожения Л. Пастер разработал учение об анаэробах. Типичный представитель бактерий маслянокислого брожения — азотфиксирующий Clostridium pasteurianum. Маслянокислые бактерии в больших количествах встречаются в почве, навозе, на растениях, в молоке, сыре. Многие из них являются анаэробами и относятся к роду Clostridium.

Маслянокислое брожение — сложный биохимический процесс расщепления углеводов, в ряде случаев жиров и белков, на масляную кислоту, углекислоту и воду, при этом образуется много побочных продуктов — уксусная, молочная, пропионовая и другие кислоты.

Из числа других форм брожения чрезвычайно важным является брожение целлюлозы (клетчатки), в которой заложены огромные запасы углерода. Разложение целлюлозы, которая в количественном отношении представляет один из основных компонентов растительных тканей, осуществляется главным образом высоко специализированными в отношении питания аэробными и анаэробными микроорганизмами. Среди аэробных бактерий, расщепляющих целлюлозу, наиболее важны скользящие бактерии рода Cytjphaga. Целлюлоза — единственное вещество, которое они могут использовать в качестве источника углерода. Цитофаги быстро растворяют и окисляют целлюлозу.

2. Этот процесс является анаэробным и сопровождается синхронным выделением водорода и диоксида углерода:

2 СО 2 + 2Н 2 + С 4Н 8О 2

Возникновение маслянокислого брожения происходит там, где без доступа воздуха происходит накопление самых разнообразных углеводов – дисахаридов, гексозов, пентозов, декстринов, крахмала, глицерина, маннита, включая соли молочной и пировиноградной кислоты. Результатом анаэробного разложения данных соединений возбудителями маслянокислого брожения являются масляная кислота, углекислота и вода. Подобное превращение углеводов с получением масляной кислоты известно уже давно. Маслянокислое брожение как результат жизнедеятельности микроорганизмов было установлено Луи Пастером в 60-х годах прошлого века.

Затем образуется уксусная кислота, которая активируется ферментом. После чего при конденсации (соединении) из двууглеродного соединения получается четырехуглеродная масляная кислота. Иными словами, при маслянокислом брожений происходит как разложение веществ, так и синтез .

Маслянокислое брожение совершается в природных условиях в колоссальных масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и везде, где ограничен доступ кислорода. За счет деятельности маслянокислых бактерий происходит разложение больших количеств органического вещества. Особым характерным признаком данного брожения, является то, что возбудители его – маслянокислые бактерии не развиваются в присутствии свободного кислорода. Из чего следует, что маслянокислые бактерии – облигатные анаэробные микроорганизмы. Внешне они выглядят, как небольшие палочки, имеющие закругленные концы. Они образуют споры и обладают способностью двигаться, поскольку имеют жгутики. Их оптимальная температура 30-40°С. Результатом жизнедеятельности маслянокислых бактерий являются масляная кислота (или бутиловый спирт и ацетон), углекислота и водород .

2. Механизм маслянокислого брожения

Маслянокислое брожение является одним из вариантов решения донор- акцепторной проблемы, базирующейся на гликолитически образованном пирувате. Новообразование в маслянокислом брожении представляет собой появление реакций конденсации типа (С 2 + С 2 приводит к С 4), результат которого представляет С 4-акцепторная кислота. Эта кислота может в дальнейшем участвовать в различных реакциях и определяется необходимостью акцептирования водорода с НАД*Н

2. освобождающегося во время брожения, что близко связано с оттоком водорода на конструктивные процессы. Результатом конечных С 4-продуктов в процессе брожения становятся соединения различной степени восстановленности. Самым типичным С 4-продуктом брожения является масляная кислота. Реализуют подобный тип брожения большинство бактерий относящиеся к роду Clostridium.

Классическими представителями клостридиев, реализовывающими маслянокислое брожение, являются Сlostridium butyricum и Сlostridium pasteurianum. Ими сбраживаются сахара с получением масляной и уксусной кислот, СО 2 и Н 2 (рис. 1).

Превращение глюкозы до пирувата происходит по гликолитическому пути. Последующая реакция – это разложение пирувата до ацетил-КоA и СО 2, сопровождающаяся созданием восстановленного ферредоксина (Фд).

Реакция катализируется ферментом пируват – ферредоксин-оксидоредуктазой и является главной в маслянокислом брожении. Особенностями реакции являются присутствие в ней белков, включающих негемовое железо и кислотолабильную серу (FeS-белки).

Кислотолабильной она называется потому, что во время кислотной обработки белка наступает ее выделение в виде H2S.

Созданный в реакции восстановленный ферредоксин доставляет электроны для восстановления N2, протонов (Н+), СО 2 и НАДФ+, а последующее превращение ацетил-КоA приводит к синтезу АТФ в реакции субстратного фосфорилирования .

Рисунок 1. — Превращения пирувата в маслянокислом брожении

Ф 1 — пируват: ферредоксин-оксидоредуктаза; Ф 2 — ацетил-КоA- трансфераза (тиолаза); Ф 3 — бета-оксибутирил-КоA-дегидрогеназа; Ф 4 — кротоназа; Ф 5 — утирил-КоA-дегидрогеназа; Ф 6 — КоA-трансфераза; Ф 7 — фосфотрансацетилаза; Ф 8 — ацетаткиназа; Ф 9 — гидрогеназа; Фдок — окисленный, Фд*Н 2 — восстановленный ферредоксин; Фн — неорганический фосфат.

Путь, приводящий к синтезу масляной кислоты, начинается реакцией конденсации двух молекул ацетил-КоА (рис.1).

Получившийся ацетоацетил-КоA восстанавливается в бета-оксибутирил-КоA. В качестве источника электронов в этой реакции и последующих при синтезе масляной кислоты выступают молекулы НАД*Н 2 , образующиеся при окислении 3-ФГА в 1,3-ФГК (рис.2) .

Рисунок 2. — Гомоферментативное молочнокислое брожение

Ф 1 — гексокиназа; Ф 2 — глюкозофосфатизомераза; Ф 3 — фосфофруктокиназа; Ф 4 — фруктозо-1,6-дифосфат-альдолаза; Ф 5 — триозофосфатизомераза; Ф 6 — ЗФГА-дегидрогеназа; Ф 7 — фосфоглицераткиназа; Ф 8 — фосфоглицеромутаза; Ф 9 — енолаза; Ф 10 — пируваткиназа; Ф 11 — лактатдегидрогеназа.

Последующее превращение представляет собой отщепление от молекулы бета-оксибутирил-КоA молекулы воды, приводящее к образованию соединения с двойной углеродной связью. Кротонил-КоA ферментативно восстанавливается в бутирил-КоA . Масляная кислота получается в результате реакции переноса кофермента A с молекулы бутирил-КоA на ацетат. Подобная реакция считается самой оптимальной для клетки, поскольку не приводит к потере энергии (как обыкновенный гидролиз).

Получившийся в реакции ацетил-КоA возвращается в метаболический поток и может использоваться для получения АТФ (реакция 7 на рис.

1. или снова принимать участие в цепи реакций, составляющих синтез масляной кислоты (реакции 2-6, рис. 1).

Проанализированный выше путь, заканчивающийся получением масляной кислоты, не связан с получением клеткой энергии, так как ни на одном из этапов не происходит образования АТФ. Единственным назначением метаболических превращений ацетил-КоA по данному пути – акцептирование электронов, переносимых на НАД+ при гликолитическом метаболизировании глюкозы: образуются две молекулы НАД*Н 2 на этапе гликолиза, и на двух этапах превращений ацетил-КоA до масляной кислоты проистекает потребление водорода с НАД*Н 2.

В этой связи крайне важное значение приобретает превращение ацетил-КоA, приводящее к получению ацетата, так как с этим путем связано добавочное получение клостридиями энергии во время маслянокислого брожения. В процессе несколько ферментативных реакций (рис. 1).

Начинается с окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, катализируемого пируватом – ферредоксин-оксидоредуктазой. Затем при помощи гидрогеназы наступает выделение молекулярного водорода с восстановленного ферредоксина. Ацетил-КоA преобразуется в ацетилфосфат, а потом в ацетат, при этом образуется молекула АТФ. Две последние реакции похожи на те, что совершаются при образовании уксусной кислоты в пропионовокислом брожении (см. рис. 3).

Рисунок 3. — Пути образования кислот и СО 2 пропионовыми бактериями

Ф 1 — ФЕП-карбокситрансфосфорилаза; Ф 2 — пируватдегидрогеназа; Ф 3 — фосфотрансацетилаза; Ф 4 — ацетаткиназа.

Как основной источник выделяемых при брожении газообразных продуктов (СО 2 и Н

2. выступает реакция окислительного декарбоксилирования пирувата. У клостридиев наличествуют и иные пути получения молекулярного водорода. А именно, НАД*Н

2. возникающий на гликолитическом пути, может служить восстановителем ферредоксина в реакции, катализируемой НАД*Н 2: ферредоксин-оксидоредуктазой, а с восстановленного ферредоксина Н 2 выделяемом при участии гидрогеназы. Можно заметить, что природа нашла разнообразные пути для освобождения от избытка восстановительных эквивалентов и для регенерации, и дальнейшего возвращения в клеточный метаболизм промежуточных переносчиков водорода.

Выведение уравнения маслянокислого брожения и определение его энергетического выхода затруднительно из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений: одного — окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого — восстановительного, функция которого — акцептирование водорода, образовавшегося в процессе гликолиза. Количественное соотношение между обоими ответвлениями зависит от многих внешних факторов (состав среды, стадия роста и др.).

Расчеты показали, что в целом на 1 моль сбраживаемой глюкозы в маслянокислом брожении образуется 3,3 моля АТФ. Это наиболее высокий энергетический выход брожения, т.е. получения энергии за счет субстратного фосфорилирования.

Заключение

Маслянокислое брожение в народном хозяйстве может нанести немалый вред, поскольку маслянокислые бактерии могут возбудить массовую гибель картофеля и овощей, прогоркание молока и вспучивание сыров, порчу консервов и т. д.

Кислая реакция среды подавляюще воздействует на маслянокислые бактерии, поэтому там, где созревают молочнокислые бактерии, выделяющие молочную кислоту, замедляется жизнедеятельность маслянокислых бактерий. Если молочная кислота в заквашенных овощах накапливается очень медленно, то они могут быть испорчены из-за размножения в них маслянокислых бактерий. Данными бактериями может быть испорчено пастеризованное молоко, где отсутствует молочнокислое брожение, а также сырое молоко при длительном хранении его на холоде, в результате которого ослабляется деятельность молочнокислых бактерий. Когда маслянокислые бактерии развиваются во влажной муке, то они придают ей прогорклый вкус.

Практическое применение маслянокислого брожение находится в производстве масляной кислоты широко используемой в технике.

Маслянокислыми бактериями могут сбраживаться как простые сахара, так и более сложные углеводы — крахмал, пектиновые вещества, а также глицерин. Данные бактерии весьма распространены в природе — в почве, иле озер, прудов и болот, скоплениях различных остатков и отбросов, навозе, загрязненной воде, молоке, сыре и т.д. Активизируемое данными бактериями брожение представляет колосальное значение в превращениях веществ в природе .

Выдержка из текста

Введение

Брожение является процессом анаэробного распада углеводов на простые соединения при выделении энергии, совершаемый при участии ряда микроорганизмов или выделяемых ими ферментами. В качестве примера брожения можно привести самое известное спиртовое брожение, вызываемое дрожжами и характеризующееся разложением сахаров на спирт и углекислый газ. Существуют еще молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое брожение и др. Свойство микроорганизмов вызывать брожение с накоплением специфических для них продуктов широко применяется в промышленности для массового получения этих веществ (например, спиртовое брожение – для получения спирта; молочнокислое – при производстве кефира и т.п. Методы выращивания бактериальных культур и идентификации возбудителей также основаны на свойстве некоторых патогенных микроорганизмов сбраживать те или иные углеводы.

Брожение представляет собой процесс распада органических веществ (прежде всего углеводов) под воздействием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Аналогично дыханию, брожение состоит из окислительно-восстановительных превращений субстрата, связанных с выделением энергии. Однако, в отличие от дыхания, в результате брожения не образуются вода и углекислый газ, а накапливаются недоокисленные продукты (спирт, молочная кислота, масляная кислота и др.).

В данной работе наиболее подробно остановимся на процессе маслянокислого брожения.

Список использованной литературы

2. Градова Н.Б., Бабусенко Е.С., Горнова И.Б., Гусарова Н.А. Лабораторный практикум по общей микробиологии. Москва, Дели принт, 2011.-144 с.

3. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н.. Микробиология 6-е издание, исправленное. Дрофа, Москва, 2006. — 444 с.

4. Руководство к практическим занятиям по микробиологии/Учебное пособие. Под ред. Н.С. Егорова – Москва, МГУ, 1995.-224 с.

5. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. Москва, агропромиздат, 1987.-238 с.

Молочнокислое брожение вызывается молочнокислыми бактериями. Оно состоит в превращении сахаров в молочную кислоту. Схема молочнокислого брожения следующая:

САХАР —> МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА + ЭНЕРГИЯ

При этом выделяется небольшое количество побочных продуктов (пировиноградная кислота и водород).

По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий. Гомоферментативные (типичные) бактерии превращают приблизительно 90% лактозы в молочную кислоту с ничтожным содержанием побочных продуктов – СO 2 или уксусной кислоты.

К типичным возбудителям молочнокислого брожения относятся кокковые и палочковидные бактерии, не образующие спор. К гомоферментативным молочнокислым бактериям принадлежат следующие: молочнокислый стрептококк, сливочный стрептококк, термофильный стрептококк, болгарская палочка, ацидофильная палочка, сырная палочка, дельбрюковская палочка и др.

Гетероферментативные (нетипичные) бактерии образуют примерно 50% молочной кислоты и наряду с ней 25% уксусной кислоты и этилового спирта, 25% углекислого газа. К ним относится кишечная палочка – постоянный обитатель кишечника человека и животных.

Молочнокислые бактерии в качестве источника азота используют аминокислоты или пептоны. Эти бактерии очень требовательны к витаминам и особенно к витамину В2 (лактофлавин). Источником углерода для них служат моносахариды (глюкоза, галактоза, левулоза), дисахариды (лактоза, сахароза, мальтоза), пентозы (арабиноза), многоатомные спирты, многоосновные кислоты и даже белки.

Молочнокислое брожение используется в молочной промышленности для изготовления простокваши, творога, сметаны, кефира, кислосливочного масла, ацидофильного молока и ацидофильной простокваши, сыров, квашеных овощей, при приготовлении хлебных заквасок, молочной кислоты. Молочнокислые бактерии широко применяют также при силосовании кормов, при выделке меховых шкурок и в производстве молочной кислоты.

Маслянокислое брожение вызывается маслянокислыми анаэробными бактериями, которые превращают многие углеводы (сахара, крахмал, декстрины, пектиновые вещества) и высшие спирты (маннит, глицерин) в масляную кислоту, образуя при этом углекислый газ, водород и энергию. Схема маслянокислого брожения следующая:

САХАР —> МАСЛЯНАЯ КИСЛОТА + УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ + ВОДОРОД + ЭНЕРГИЯ

Оптимальная температура для развития маслянокислых бактерий +30…40 °С. Маслянокислое брожение хорошо протекает при нейтральной реакции. Если оно идет в кислой среде, то накапливается бутиловый спирт и ацетон.

Маслянокислым брожением получают масляную кислоту, обладающую горьким вкусом и резким запахом. Она широко применяется в технике. Эфиры масляной кислоты имеют приятный запах цветов или фруктов и используются для приготовления ароматических эссенций в кондитерской промышленности и при производстве газированных напитков, а также в парфюмерной промышленности (например, метиловый эфир с яблочным запахом, этиловый эфир с грушевым запахом, амиловый – с ананасным).

В народном хозяйстве маслянокислое брожение может приносить значительный ущерб. Если маслянокислое брожение развивается в пищевых продуктах, то они приобретают неприятный запах и горький вкус. Часто это брожение вызывает гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, бомбаж консервов, прогоркание молока, творога, сметаны и др.

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] .. Маслянокислое брожение было открыто Луи Пастером в 1861 году [3] .

САХАР —> МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА + ЭНЕРГИЯ

При этом выделяется небольшое количество побочных продуктов (пировиноградная кислота и водород).

САХАР —> МАСЛЯНАЯ КИСЛОТА + УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ + ВОДОРОД + ЭНЕРГИЯ

Читайте также: