ГЛАВА 9. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
9.5.7. Маслянокислое брожение
Маслянокислое брожение протекает в строго анаэробных условиях по гексозодифосфатному пути до пирувата. Особенностью маслянокислого брожения является реакция конденсации двух молекул ацетил-КоА (т. е. С2 + С2 = С4) при участии фермента карболигазы с образованием ацетоацетил-КоА и его последующим восстановлением до масляной кислоты (рис. 33).
Рис. 33. Схема маслянокислого брожения.
Ферменты, участвующие в брожении: Ф1 — карболигаза; Ф2 — гидроксибутирил-КоА-дегидрогеназа; Ф3 — кротоназа; Ф4 — бутирил-КоА-дегидрогеназа; Ф5 — КоА-трансфераза
Типичными возбудителями маслянокислого брожения являются бактерии рода Clostridium — С. butyricum и С. pasteurianum.
Клостридии представляют собой палочковидные грамположительные бактерии, относящиеся к семейству Васillасеае. Большинство видов подвижны благодаря перитрихиально расположенным жгутикам. По мере старения клетки теряют подвижность, накапливают запасное вещество гранулезу (крахмалоподобный полисахарид) и приступают к спорообразованию. Клостридии образуют овальные или круглые эндоспоры, диаметр которых больше диаметра клетки. Если спора располагается в центре клетки, то последняя приобретает вид веретена, если же спора находится на конце клетки, клетка становится похожей на барабанную палочку или теннисную ракетку (см. рис. 10). Споры клостридий довольно терморезистентны.
Клостридии — строгие анаэробы. Не содержат гемопротеинов (цитохромов, каталазы). Оптимальная температура роста от 30 до 40 °С. Наряду с мезофильными клостридиями встречаются и термофильные виды, имеющие температурный оптимум 60—75 °С, в частности С. thermoaceticum. Как большинство представителей семейства Васillасеае, клостридии способны расти только при нейтральной или слабощелочной реакции среды. Их нежелательное размножение в пищевых продуктах может быть полностью подавлено при подкислении среды (квашение капусты и огурцов, закисание фарша в сырокопченых колбасах, маринование овощей и грибов).
По способности использовать различные субстраты клостридии можно разделить на следующие группы:
✵ сахаролитические — расщепляют преимущественно полисахариды или сахара. Сюда относятся С. butyricum, С. acetobutylicum и др.;
✵ протеолитические — расщепляют белки, пептоны, аминокислоты. В эту группу входят С. putrificum, С. sporogenes, С. histolyticum;
✵ пуринолитические — способные разлагать пурины и пиримидины. К этой группе относятся бактерии вида С. acidiurici.
В ходе маслянокислого брожения образовавшийся из глюкозы пируват расщепляется с образованием диоксида углерода и ацетил-КоА и восстановленного белка ферредоксина (FeS-белок). Последний передает электроны на протоны и способствует появлению еще одного из метаболитов маслянокислого брожения — водорода. Конденсация двух молекул ацетил-КоА приводит к образованию ацетоацетил-КоА, который затем восстанавливается в p-оксибутирил-КоА. В результате отщепления воды от β-оксибутирил-КоА образуется соединение с двойной углеродной связью — кротонил-КоА. Он восстанавливается в последующей реакции с образованием бутирил-КоА. Перенос кофермента А с бутирил-КоА на ацетат приводит к образованию основного метаболита — масляной кислоты.
Присутствие и размножение маслянокислых бактерий в пищевых продуктах крайне нежелательно. Вследствие образования большого количества газов при сбраживании углеводов возникают такие пороки, как позднее вспучивание сыров, бомбаж консервов. Накопление масляной кислоты приводит к появлению прогорклого вкуса и резкого неприятного запаха в продукте.
В микробиологической промышленности маслянокислое брожение используют для производства масляной кислоты, которая служит основой для получения различных эфиров. Эфиры масляной кислоты имеют приятный запах и в качестве ароматических веществ находят широкое применение в парфюмерной, кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков.
ПредыдущаяСледующая
Особенности брожения
Само по себе брожение представляет собой процесс, который происходит внутри клетки и обеспечивается за счет внутреннего метаболизма живого организма. В результате такой «живой кухни» клетка получает необходимую ей энергию в виде АТФ (аденозинтрифосфат), а во внешнюю среду она выводит те продукты, которые образовались в процессе регенерации и для жизни самой клетки не пригодились.
При молочнокислом брожении таким невостребованным остатком является молочная кислота (лактат), при спиртовом брожении – этанол и диоксид углерода, а при маслянокислом брожении – масляная кислота, водород и еще несколько полезных побочных продуктов, которые человек научился использовать в своей химической промышленности.
Живыми клетками, которые обеспечивают переработку исходных продуктов через свой метаболизм, и производят продукты маслянокислого брожения, являются анаэробные бактерии Клостридиум бутирикум (Clostridium butyricum), Клостридиум ацетобутиликум (Clostridium acetobutylicum) и т.д. Все виды маслянокислых прокариотов относят к роду Клостридии группы эубактерии (истинные бактерии).
Изученные маслянокислые бактерии являются спорообразующими: либо продуцентами, либо редуцентами. Их споры имеют эндогенную природу, развиваются внутри клетки, если эта клетка попала в неблагоприятные условия, и уничтожаются только антибиотиками. По Граму окрашиваются положительно и внешне выглядят как палочки. В кислородной среде маслянокислые бактерии погибают, поэтому их относят к облигатным анаэробам.
Маслянокислое брожение
Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокис-лых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества.
Маслянокислое брожение осуществляют такие анаэробы, как Cl. Главные продукты брожения — масляная и уксусная кислоты.
Маслянокислое брожение возникает везде, где без доступа воздуха накапливаются самые разнообразные углеводы — ди-сахариды, гексозы, пентозы, декстрины, крахмал, глицерин, маннит, а также соли молочной и пировиноградной кислоты. В результате анаэробного разложения этих соединений возбудителями маслянокислого брожения получаются масляная кислота, углекислота и вода.
Маслянокислое брожение клетчатки имеет большое значение в круговороте углерода в природе.
Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое и маслянокислое брожения являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют собой комбинацию этих трех типов. Так, например, пропионовокислое брожение, играющее важную роль при производстве сыров и сопровождающееся накоплением пропионовой и уксусной кислот и углекислого газа, может рассматриваться как комбинация гомоферментативного молочнокислого и спиртового брожений. Брожения клетчатки и пектиновых веществ являются разновидностями маслянокислого брожения.
Маслянокислым брожением называется процесс образования масляной кислоты из углеводов и некоторых карбоновых кислот при участии микроорганизмов. Из углеводов сбраживаются гексозы и пентозы, а из кислот — молочная и пировиноградная. Этот вид брожения был открыт Пастером в 1861 году и сыграл большую роль в историческом развитии учения о брожениях.
Возбудители маслянокислого брожения могут приносить большой вред во многих практически важных процессах. Их деятельностью обусловливается прогоркание масла, простокваши, сыра и других продуктов. Вследствие широкой распространенности в природе и стойкости спор по отношению к внешним влияниям эти возбудители всегда могут попасть в пищевые продукты и вызвать образование небольших количеств масляной кислоты, которая чувствуется вследствие ее неприятного вкуса.
Получается маслянокислым брожением сахара или глицерина. Действует раздражающе на кожу.
|
Особые виды брожения. |
При чистом маслянокислом брожении образующийся при окислений пирувата водород выделяется в газообразном виде.
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.
В результате маслянокислого брожения может образоваться также бутиловый спирт, причем в довольно значительном количестве. Тогда брожение принимает характер бутилового. Если брожение идет в нейтральной среде, то в основном накапливается масляная кислота, а бутиловый спирт образуется в небольших количествах. Но если брожение проводят в кислой среде, то основным продуктом брожения будет бутиловый спирт, а масляная кислота — побочным. Возбудителем этого брожения являются бактерии: В.
Получается в результате маслянокислого брожения сахара или глицерина.
Масляная кислота образуется при маслянокислом брожении растворов сахара, молочной кислоты и глицерина.
Типичными представителями клостридиев, осуществляющих маслянокислое брожение, являются С. Превращение глюкозы до пирувата осуществляется по гликолитическому пути. Реакция катализируется ферментом пируват: ферредоксин-оксидоредуктазой и является ключевой в маслянокислом брожении.
Молочнокислое брожение глюкозы
От спиртового этот вид отличается тем, что происходит не под влиянием дрожжей, а с помощью молочнокислых бактерий. Поэтому мы имеем совершенно разные продукты. Молочнокислое брожение также происходит в наших мышцах при высоких нагрузках и недостатке кислорода.
Различают два вида этого процесса. Первый — гомоферментативное брожение. Если вы хоть раз слышали приставку «гомо», то наверняка понимаете, что она означает. Гомоферментативное брожение — это процесс с участием одного фермента. На первой стадии происходит гликолиз и образуется пировиоградная кислота. Затем полученный пируват (в растворе эта кислота может существовать только в виде ионов) подвергается гидрированию при помощи NADH + H и лактатдегидрогеназы. В результате продуктом восстановления является молочная кислота, которая составляет около 90% от всех получившихся в ходе реакции продуктов. Это соединение, однако, тоже может образовываться в виде двух разных изомеров: D и L. Эти типы отличаются тем, что являются зеркальными отражениями друг друга и, вследствие этого, по-разному воздействуют на наш организм. То, какой изомер будет образовываться в большей степени, определяет строение лактатдегидрогеназы.
Перейдём ко второму типу молочнокислого брожения — гетероферментативному. В этом процессе участвуют несколько ферментов, и он идёт по более сложному пути. Из-за этого в ходе реакции образуется больше различных продуктов: кроме молочной кислоты, мы можем найти там уксусную кислоту и этиловый спирт.
Вот мы и рассмотрели молочнокислое брожение. Это процесс, благодаря которому мы можем наслаждаться вкусом творога, простокваши, ряженки и кефира. Подведём итоги и запишем в общем виде реакцию молочнокислого брожения глюкозы: C6H12O6 = 2 C3H6O3 . Конечно, это упрощённая схема процесса гомоферментативного брожения, так как даже схема гетероферментативного процесса будет очень сложной. Химики до сих пор изучают молочное брожение глюкозы и выясняют полные его механизмы, поэтому нам ещё есть куда стремиться.
Лимоннокислое брожение
Реакции этого вида брожения происходят, как и при спиртовом, под действием грибов определённого штамма. Полный механизм этой реакции ещё не до конца изучен, и мы можем полагаться только на некоторые упрощения. Однако есть предположения, что начальная стадия процесса представляет собой гликолиз. Потом пировиноградная кислота превращается по очереди в различные кислоты и доходит до лимонной. Вследствие такого механизма в реакционной среде накапливаются другие кислоты — продукты неполного окисления глюкозы.
Этот процесс происходит под влиянием кислорода, и в общем виде его можно записать следующим уравнением: 2С6Н12O6 +3О2 = 2С6Н8О7 + 4Н2О. До того как этот вид брожения открыли, люди добывали лимонную кислоту исключительно выжимкой плодов соответствующего дерева. Однако в лимоне этой кислоты не более 15%, поэтому этот способ оказался нецелесообразен, и после открытия этой реакции всю кислоту начали получать методом брожения.
Маслянокислое брожение
Перейдём к следующему типу. Этот вид брожения происходит под действием маслянокислых бактерий. Они широко распространены, а процесс, который они вызывают, играет ключевую роль в биологически важных циклах. С помощью этих бактерий и происходит разложение мёртвых организмов. Масляная кислота, образующаяся в ходе реакций, привлекает своим запахом падальщиков.
Этот вид брожения используется в промышленности. Как нетрудно догадаться, им получают масляную кислоту. Её сложные эфиры широко используются в парфюмерии и имеют приятный запах, в отличие от неё самой. Однако не всегда маслянокислое брожение приносит пользу. Оно может вызывать порчу овощей, консервов, молока и других продуктов. Но это может произойти, если только в продукт попали маслянокислые бактерии.
Молочнокислое и маслянокислое брожение. Химизм.
Близки к маслянокислым бактериям патогенные формы — возбудители тяжелого пищевого отравления — ботулизма и возбудитель столбняка.
По характеру используемых субстратов маслянокйслые бактерии делят на 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 грамположительные, 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.33. Маслянокислые бактерии
Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они обитают там, где много органических веществ и нет доступа кислорода — в иловых отложениях водоемах, 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 аэробными бактериями, которые используют кислород на собственные нужды. Повсеместному их распространению способствует необыкновенно высокая устойчивость спор.