Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В их основе лежит использование в промышленности биологических систем и процессов, ими вызываемых. В основе многих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов.
В настоящее время с помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, органические кислоты, липиды, гормоны, препараты для сельского хозяйства и т.д.
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности – бактерии, дрожжевые и плесневые грибы. Дрожжи – одноклеточные микроорганизмы, которые в отличие от бактерий размножаются почкованием, а при неблагоприятных условиях – путем порообразования.
Дрожжевая клетка состоит из оболочки – клеточной стенки, окружающей всю клетку, ядра – носителя жизни клетки, клеточной плазмы – цитоплазмы – и различных включений, находящихся в ней.
Клеточная стенка у всех дрожжей состоит из сложных углеводов (гемицеллюлозы), полисахаридов в комплексе с липидами и азотистыми соединениями. Оболочка имеет наружные и внутренние слои. В наружном слое располагается маннанопротеиновый комплекс, который служит основой структуры клетки и местом расположения ферментов. Внутренний слой называется полупроницаемой мембраной. Молекулы аминокислот и глюкозы проникают через нее быстрее, чем более мелкие ионы металлов.
Цитоплазма – вязкая коллоидная масса, состоящая из воды, белков, липидов и углеводов. От клеточной стенки она отделена цитоплазматической мембраной, состоящей из липидно-белковых веществ, рибонуклеопротеидов и соединений кальция.
Ядро содержит хромосомы, состоящие из генов, несущих наследственное начало. Ядро содержит ДНК и нуклеопротеид, которые несут наследственную информацию клетки.
Кроме ядра в клетках имеются вакуоли и различные включения, имеющие значение запасных веществ: гликоген – при гидролизе дает глюкозу; волютин – запасное азотистое соединение; капельки жира и т.д.
При культивировании дрожжей в производственных условиях наблюдают 4 фазы их развития:
Первая – лаг-фаза – характеризуется накоплением до 10% биомассы, при этом дрожжами усваивается больше всего фосфорных и азотистых соединений. Продолжительность фазы 3-4 ч.
Во второй – логарифмической фазе – накапливается наибольшее количество дрожжевых клеток (количество дрожжевых клеток нарастает по логарифмическому закону), они мелкие, так как почкование клеток опережает их рост, но большая поверхность контакта мелких клеток с субстратом обеспечивает высокую скорость биохимических процессов, в частности образования спирта.
Третья фаза – стационарная – характеризуется медленным накоплением биомассы, отложением запасных питательных веществ в клетках, осуществлением биохимических процессов превращения углеводов в спирт и углекислый газ. Такую фазу развития дрожжей в основном используют в виноделии в процессах тихого брожения.
В четвертой фазе – затухания – заканчиваются гидролитические и синтетические процессы, уменьшается биомасса дрожжей и дрожжи отмирают. В этой фазе в основном находятся зрелые и старые клетки.
Различают молодые, зрелые и старые дрожжи. Молодые клетки имеют тонкую оболочку, цитоплазма гомогенна, почкование энергичное. У зрелых дрожжей цитоплазма зернистая, появляются вакуоли, гликоген и другие включения. Число почкующихся клеток достигает 15%. Старые дрожжи почти полностью не почкуются, имеют гетерогенную цитоплазму, утолщенную оболочку, много мертвых клеток.
Отмирание дрожжей объясняется: 1. Истощением питательных сред; 2. Накоплением а субстрате продуктов жизнедеятельности токсичных для самих дрожжей. Таким продуктом в первую очередь является спирт. Большинство дрожжей отмирают при концентрации спирта 12-13%. Хотя некоторые их виды, такие как винные дрожжи способны развиваться и при больших концентрациях спирта.
При развитии дрожжей исключительное значение имеет температура и кислотность среды. Температурный оптимум для большинства дрожжей 22-300С. При нагревании выше 400С большинство дрожжей утрачивают способность к размножению. При снижении температуры вследствие замедления биохимических реакций дыхания дрожжи размножаются менее интенсивно и это применяется в виноделии на стадии тихого брожения и созревания вина. При температурах +8, +10, +120С дрожжи могут развиваться в течение нескольких месяцев и даже годами. В процессе такого длительного брожения в винах формируется «своеобразный букет».
Большинство дрожжей хорошо развиваются в кислой среде.
Дрожжи по сравнению с другими микроорганизмами не отличаются особой термостойкостью. При нагревании в кислой среде в течение нескольких десятков секунд или минут они погибают температура при этом 75-950С.
Типы энергетического обмена у микроорганизмов
Для развития, роста и размножения микроорганизмов необходима энергия. Способы добывания энергии у микроорганизмов различны. Большинство из них живут за счет энергии, высвобождающейся при окислении различных соединений кислородом.
Микроорганизмы, добывающие энергию только за счет окисления кислородом, называют облигатными аэробами.
Но есть микроорганизмы, которые получают энергию без участия кислорода воздуха за счет сопряженного окисления-восстановления неорганических и органических соединений, находящихся в субстрате. Такие микроорганизмы называют облигатными анаэробами. Кислород подавляет их развитие.
Существуют также промежуточные формы микроорганизмов: факультативные аэробы и анаэробы.
Микроорганизмы, обладающие лабильным обменом веществ, т.е. живущие за счет окисления кислородом воздуха и сопряженных окислительно-восстановительных реакций без участия кислорода воздуха, называют факультативными аэробами. При недостатке кислорода они могут переходить на анаэробный способ существования.
Микроорганизмы, которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него, называют факультативными анаэробами. Они живут за счет сопряженного окисления-восстановления различных соединений, без вовлечения кислорода. Кислород для них не ядовит или слабо ядовит.
Рост и размножение микроорганизмов
| Наименование | Тип размножения | Примечание |
| Бактерии | Деление | Обе дочерние клетки одинаковы |
| Дрожжи | Почкование | Дочерняя клетка Материнская клетка со «шрамом» |
| Мицелиальные грибы | Удлинение и разветвление мицелия | Удлинение. Разветвление |
Дрожжи относятся к факультативным анаэробам. Это означает, что они проявляют жизненные функции в присутствии кислорода воздуха (аэробный процесс) и в его отсутствии (анаэробный процесс).
Обмен веществ в клетках по аэробной схеме называют дыханием дрожжей, а по анаэробной схеме – брожением. Дыхание и брожение – ферментативные процессы.
С древних времен в своей практической деятельности человек встречался с различными видами брожения. Он использовал их для изготовления вина, пива, кваса, уксуса, спирта, хлеба, кисломолочных и других продуктов, не имея совершенно никаких представлений о возбудителях брожений. Только во второй половине 19 столетия гениальными работами Луи Пастера была доказана биологическая природа брожений. Этим было положено начало сознательному использованию микроорганизмов в промышленности, прежде всего в пищевой, где стали применять чистые культуры и управлять их жизнедеятельностью.
Развиваясь в питательном субстрате, микроорганизмы вызывают сложные изменения органических веществ, в первую очередь углеводов. Превращения углеводов и некоторых других органических веществ в новые соединения посредством микроорганизмов называются брожениями. Одни из них протекают в анаэробных условиях: спиртовое, маслянокислое, ацетоно-бутиловое, молочнокислое; другие – в аэробных: уксуснокислое, лимоннокислое, щавелевокислое, фумаровое и другие превращения окислительного характера.
На свойстве микроорганизмов возбуждать различные брожения базируются бродильные производства (пивоварение, виноделие, получение спирта, дрожжей, уксуса), а также производство хлеба, ряда молочных продуктов, консервирование овощей, ягод, фруктов, изготовление некоторых вкусовых приправ и отдельных питательных соединений – аминокислот, витаминов, органических кислот.
Дрожжи являются одноклеточными неподвижными организмами, относящимися по морфологическим признакам к простейшим сумчатым грибам.
В большинстве отраслей пищевой промышленности используются истинные дрожжи семейства Saccharomycetaceae.
По отношению к кислороду воздуха дрожжи семейства Saccharomycetaceae принадлежат к факультативным анаэробам: когда доступ кислорода к дрожжевым клеткам затруднен усиливается анаэробное дыхание (спиртовое брожение), которое ослабляется и угнетается, как только становится возможным использование обильно поступающего кислорода. Такое подавление функции брожения в дрожжах при доступе кислорода аэробным процессом носит название “пастеровский эффект”.
Дрожжевая клетка, подобно другим организмам, для проявления своих жизненных функций нуждается в энергии. Основным источником ее являются сахара.
В анаэробных условиях они превращаются клеткой в спирт и углекислоту согласно суммарному уравнению
С6Н12О6 = 2СН3СН2ОН + 2СО2 + 234 кДж (28,2 ккал)
Сахар этиловый спирт
Помимо главных продуктов брожения – этилового спирта и углекислого газа, в небольшом количестве образуются еще и побочные вещества: уксусный альдегид, глицерин, спирты (бутиловый, изобутиловый, амиловый, изоамиловый) и кислоты (уксусная, янтарная, и некоторые другие). В этих условиях каждая грамм-молекула гексозы высвобождает 234 кДж теплоты.
Реакция брожения аналогична реакции анаэробного дыхания.
В аэробных условиях дрожжи окисляют сахара до СО2 и Н2О, причем из каждой грамм-молекулы выделяется 2870 кДж (674 ккал) теплоты.
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6 Н2О + 2870 кДж
При аэробном дыхании в плодах
С4Н6О5 + 3О2 = 4СО2 + 3 Н2О + 2870 кДж
При полном окислении гексозы в аэробных условиях освобождается много энергии, часть которой теряется в виде теплоты, а часть используется для синтеза клеточного вещества, что в конечном итоге приводит к активному размножению клеток. Этот процесс окисления сахаров в аэробных условиях положен в основу производства прессованных и кормовых дрожжей, а также играет важную роль в других производствах, где требуется быстрое размножение дрожжевых клеток.
Процессы брожения сахара могут быть причиной порчи молочных продуктов (излишняя кислотность, вспучивание творога, сметаны, сыра и т.д.).
В технологии пищевых производств применяются три основные вида брожения: спиртовое, молочнокислое и маслянокислое; другие виды брожения являются их разновидностями.
Все типы брожения до стадии образования пировиноградной кислоты (С3Н4О2) идут одинаково, дальнейшие превращения кислоты проходят в разных направлениях с образованием различных конечных продуктов.
Спиртовое брожение
Брожение вызывают дрожжи, содержащиеся в бактериальных заквасках (например, в кефирных грибках) или специально вносимые в молоко. Они расщепляют пировиноградную кислоту на уксусный альдегид и углекислый газ. Уксусный альдегид затем восстанавливается в этиловый спирт. Спирт и углекислый газ придают кисломолочным продуктам освежающий вкус и некоторую остроту.
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 118 кДж
Глюкоза спирт
Молочнокислое брожение
Бактерии используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.
Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. При молочнокислом брожении пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту по уравнению
С6Н12О6= 2СН3СНОНСООН + 75 кДж
Глюкоза молочная кислота
(С3Н6О3)
В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям. В процессе получения ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода.
Истинные бактерии в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного теста существенное влияние оказывают также на вкус хлеба, так как он зависит от общего количества кислот, содержащихся в хлебе, и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного теста.
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение может применяться для подкисления дрожжевого сусла.
Маслянокислое брожение
Маслянокислое брожение, вызываемое малянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, а для спиртового производства эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие дрожжей и инактивирует a-амилазу.
С6Н12О6 = С3Н7СООН + 2СО2 + Н2 + Q кДж
глюкоза масляная
кислота
Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению
СН3СН2ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + 487 кДж
Этиловый спирт уксусная к-та
Уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывает его порчу.
