Група молочнокислих бактерій має значну різнорідність як за морфологічними, так і за біохімічними властивостями. Тут зустрічаються і кокові форми у вигляді коротких або довгих ланцюгів (диплококи і стрептококи), і палички різних розмірів. Щодо температури, більшість молочнокислих бактерій відноситься до мезофілів. Разом з тим, деякі види наближаються до психрофілів, інші є перехідними до термофілів.
Щодо питань біохімічних показників, зустрічаються типові молочнокислі бактерії (викликають процес типового молочнокислого бродіння), і нетипові (викликають процес нетипового молочнокислого бродіння).
Для всіх молочнокислих бактерій спільними є такі ознаки: всі молочнокислі бактерії (як кулясті, так і паличкоподібні) нерухомі, спор не утворюють, грамдодатні. За способом дихання всі молочнокислі бактерії відносяться до факультативних анаеробів і як продукт обміну утворюють молочну кислоту. Молочнокислі бактерії можуть перетворювати в молочну кислоту моно- і дисахариди. Крохмаль та інші полісахариди молочнокислі не ферментують. Окрім здатності збуджувати молочнокисле бродіння, деякі молочнокислі бактерії мають протеолітичну здатність, тобто можуть розкладати білкові речовини до амінокислот. При цьому різні види молочнокислих бактерій мають різну протеолітичну активність. Протеолітичні ферменти, які є в клітинах молочнокислих бактерій, головним чином відносяться до ендоферментів і діють на білки навколишнього середовища тільки після відмирання клітини та ії автолізу.
Молочнокислі бактерії дуже широко поширені в природі. Вони завжди є в молоці і викликають його самоскисання (тому і називаються молочнокислими). Молочнокислі бактерії зустрічаються на різних рослинах, на поверхні плодів та овочів, вони є в повітрі і в ґрунті.
Найважливішими представниками типових молочнокислих бактерій є:
Streptococcus lactis (молочний стрептокок) – коки, діаметром майже 1мк, з’єднані в короткі ланцюжки або попарно. Вони завжди присутні в молоці і найчастіше викликають самоскисання. Оптимальною температурою для їхнього розвитку є температура 36°С. Вони є відносно слабкими кислотоутворювачами, накопичують не більше 1% молочної кислоти. Вища концентрація кислоти діє на них згубно. Тому кисле молоко, яке отримують в домашніх умовах самоскисанням без застосування спеціальних заквасок, ніколи не буває надто кислою. Молочнокислі стрептококи ферментують лактозу, мальтозу, глюкозу і галактозу.
Str. cremoris – діаметр клітини не більше 0,7 мк, утворюють довгі ланцюги. Ферментують лактозу, глюкозу і галактозу, мальтозу і сахарозу не перетворюють. Оптимальна температура розвитку 30° С.
Bact. bulgaricum (болгарська паличка) – довжина клітини майже 5 мк. Палички з’єднані в ланцюги. Ферментують глюкозу, фруктозу, галактозу, лактозу, сахарозу і мальтозу не ферментують. Оптимальна температура розвитку 40–45°С, тобто болгарська паличка належить до термофільних бактерій. Вона накопичує значну кількість молочної кислоти – до 3,5 %. Треба зауважити, що термофіли більш активні кислотоутворювачі, ніш мезофіли, і в цілому паличкоподібні молочнокислі бактерії активніші кислотоутворювачі у порівнянні з стрептококами.
Bact. casei (сирна паличка) – довжина клітини майже 6 мк. Ферментує мальтозу, лактозу, глюкозу і фруктозу. Оптимальна температура – 40°С. Використовується під час виробництва сиру.
Bact. acidophylum (ацидофільна паличка) – довжина клітини майже 5 мк. Ферментує лактозу, мальтозу, сахарозу і глюкозу. Оптимальна температура – 40°С. Накопичує до 2,5 % кислоти. Деякі види ацидофільної палички здатні до слизоутворення (утворюють слизисті капсули). Ацидофільні бактерії поряд з молочною кислотою продукують антибіотичні речовини, які згубно діють на збудників кишкових захворювань. Ацидофільні закваски використовують під час виробництва ацидофільних молочнокислих продуктів. Із чистих культур ацидофільних бактерій виготовляють біопрепарати, які застосовують для лікування і профілактики шлунково-кишкових захворювань людини та сільськогосподарських тварин.
Bact. Delbrueckii (дельбрюківська паличка) – довжина клітини 7 мк. Палички розміщуються поодиноко або короткими ланцюжками. Ферментує всі цукри, за винятком лактози, тому в молоці не розвивається. Використовується для отримання молочної кислоти із цукру, а також у випічці хліба. Оптимальна температура розвитку 45–50°С, мінімальна – 20°С. В субстраті накопичує до 2,5 % кислоти.
Bact. сucumeris fermentati i Bact. plantarum – коротенькі палички довжиною 2 мк, часто з’єднані попарно. Вони є збудниками молочнокислого бродіння під час квашення овочів і під час силосування кормів. Мезофіли, температурний оптимум майже 30°С.
Нетипових молочнокислих бактерій надзвичайно багато. Практичний інтерес мають так звані ароматоутворюючі бактерії видів Str. paracitrovorus, Str. citrovorus, Str. diacetilactis. Ці бактерії утворюють значну кількість летких кислот, вуглекислого газу і ацетилметилкарбінолу, який під час окислення переходить в діацетил. Останній надає продуктам, зокрема маслу, особливого аромату. Завдяки цьому названі культури широко використовуються у різних галузях молочної промисловості, зокрема в маслоробній.
Ароматоутворюючі молочнокислі бактерії, поряд з цукром, перетворюють солі лимонної кислоти, яка завжди є в молоці. Ацетилметилкарбінол, а далі діацетил і ацетоін утворюються саме із солей лимонної кислоти.
Із інших гетероферментативних молочнокислих бактерій можна назвати: Zeuconostoc cremoris – витягнені коки, що можуть розташовуватись поодиноко, парами, або у вигляді коротких ланцюжків. Вони також, крім цукру, перетворюють лимонну кислоту та її солі з утворенням діацетилу. Оптимальна температура розвитку – 20–25°С. Вживаються в комбінованих заквасках з метою ароматизації продукту. Деякі види Zeuconostoc є активними слизоутворювачами. Субстрати, в яких розвиваються ці види молочнокислих бактерій, мають густу слизисту консистенцію. Розвитком саме таких бактерій пояснюється ослизнення розсолу солоних огірків та квашеної капусти.
Інший вид Z. bravis – паличкоподібні бактерії, що перетворюють цукри з утворенням молочної та оцтової кислот, а також етилового спирту і вуглекислого газу, дуже часто зустрічаються під час квашення капусти та огірків (на кінцевих фазах ферментації).
Використання та практичне значення молочнокислого бродіння. Молочнокисле бродіння та молочнокислі бактерії дуже широко використовуються в практичній діяльності людей, а найбільше в молочній промисловості в процесі молочнокислого бродіння. В молоці завжди є молочнокислі бактерії, що швидко розмножуються в ньому і викликають скисання.
Під час виробництва кисломолочних продуктів на промислових підприємствах самоскисання молока не застосовується. Молоко, яке завозять на заводи, пастеризують. При цьому більшість бактерій гине. Гинуть і всі молочнокислі бактерії, тому що вони не здатні до спороутворення. Після пастеризації молоко заквашують заквасками, виготовленими із чистих культур молочнокислих бактерій. Молочнокислі бактерії перетворюють цукор, що є в молоці – лактозу – на молочну кислоту. Остання викликає коагуляцію головного білка молока – казеїну. Утворюється згусток. Використовуючи як закваску різні чисті культури, можна отримати кисломолочні напої з різними смаковими особливостями (окремі види молочнокислих бактерій утворюють різну кількість молочної кислоти).
Молочнокислі бактерії застосовуються під час виробництва всіх дієтичних молочнокислих напоїв, ацидофільної пасти, кисломолочного сиру, сметани, сичугових сирів. Завдяки наявності живих молочнокислих бактерій молочнокислі напої мають лікувально-профілактичне значення. Молочнокислі бактерії, які є в цих напоях, (в 1 мл простокваші знаходяться сотні мільйонів живих молочнокислих бактерій) нормалізують мікрофлору кишкового тракту, знищують там збудників гниття. У процесі гниття утворюються різні токсичні продукти, які через стінки кишкового тракту і кровоносних судин дифундують в кров і поступово, непомітно отруюють організм людини. Молочнокислі бактерії можуть приживатись в кишковому тракті і перетворювати там залишки поживи, яка вміщує цукор, з утворенням молочної кислоти. Збудники ж гниття в кислому середовищі не можуть розвиватись. Особливо корисні молочнокислі продукти, виготовлені з використанням ацидофільної палички, бо вона є не тільки дуже активним кислотоутворювачем, але й найкраще приживається в кишковому тракті.
Молочнокислі бактерії використовуються також під час виготовлення житнього хліба. Молочна кислота, що утворюється при ферментації тіста, сприяє набряканню білків, розвитку дріжджів і покращує смак хліба.
Процес молочнокислого бродіння має місце і під час квашення овочів. Квашені овочі добре зберігаються, тому що в кислому середовищі не можуть розвиватися збудники гниття.
Силосування кормів у своїй основі має також використання молочнокислого бродіння. Силосування дозволяє зберегти різні види кормів, незалежно від погоди і без втрат вітамінів. Шляхом силосування консервують траву, кукурудзу, гичку картоплі, буряків та ін.
Молочнокисле бродіння застосовують також для отримання молочної кислоти. Остання має дуже широке застосування в різних галузях промисловості. Її використовують у шкіряній промисловості для декальцинування (усунення вапна) із шкіри. В текстильній промисловості вона використовується як протрава під час фарбування тканин. Та особливе значення має молочна кислота в харчовій промисловості, де її використовують замість лимонної під час виробництва кондитерських виробів, безалкогольних напоїв, консервів та інших товарів. Широко використовується молочна кислота та її солі в медицині. Молочнокислий магній – це послаблюючий засіб; молочнокислий кальцій використовується при захворюванні на рахіт; чиста молочна кислота – для припалювання.
Отримують молочну кислоту із картоплі та зерна, а також іншої крохмале – і цукромісткої сировини. Якщо використовується крохмалемістка сировина, то спочатку крохмаль перетворюють в цукор за допомогою амілази солоду. Потім вводять чисті культури молочнокислих бактерій – паличку Дельбрюка. До ферментуючої рідини додають крейду, яка зв’язує утворену молочну кислоту, і тому остання не діє згубно на молочнокислі бактерії. Процес ферментації закінчується тільки тоді, коли в середовищі зовсім немає цукру. Утворений молочнокислий кальцій відділяють від рідини і розкладають сірчаною кислотою. При цьому в осад випадає CaSO4 (гіпс), а молочна кислота вивільняється.
Виготовляють молочну кислоту також із молочної сироватки за допомогою ферментації лактози, яка є основною складовою сухих речовин сироватки. В цьому випадку використовують типові молочнокислі бактерії Str. lactis або Bact. bulgaricum.
Треба мати на увазі, що спонтанне (самовільне) молочнокисле бродіння в продуктах (в молоці, вині, пиві, безалкогольних напоях та ін.) може завдавати великої шкоди, призвести до скисання, помутніння, ослизнення та інших видів псування цих продуктів.
Пропіоновокисле бродіння
Пропіоновокисле бродіння – це перетворення цукру або молочної кислоти та її солей в пропіонову і оцтову кислоти, вуглекислий газ та воду в результаті життєдіяльності пропіоновокислих бактерій.
Підсумувати цей процес можна такими рівняннями:
3С6Н12О6 = 4СН3СН2СООН+2СН3СООН+2СО2+2Н2О
або
3СН3СНОНСООН = 2СН3СН2СООН + СН3СООН +СО2 + Н2О.
Деякі пропіоновокислі бактерії утворюють, крім того, невелику кількість інших кислот (мурашину, янтарну, ізовалеріанову).
Хімізм процесу до утворення піровиноградної кислоти проходить за такою ж схемою, що й при спиртовому бродінні. Дальше перетворення (відновлення) піровиноградної кислоти в пропіонову проходить за дуже складною схемою, яка змінюється в залежності від екології процесу.
Збудниками пропіоновокислого бродіння є так звані пропіоновокислі бактерії роду Bacterium. Типовим представником цих бактерій є Bact. acidi propionici. Це короткі, безспорові, нерухомі, грамдодатні палички, дуже близькі за морфологічними і фізіологічними ознаками до молочнокислих бактерій, і тому часто розвиваються разом з ними. Пропіоновокислі бактерії факультативні анаероби, мезофіли. Оптимальна температура їх розвитку 30–35°С, але добре ростуть і при 15–25°С. Гинуть при 60–70°С.
Поряд з бродінням цукрів, молочної кислоти та її солей пропіоновокислі бактерії дезамінують амінокислоти з утворенням жирних кислот.
Дуже велику роль відіграють пропіоновокислі бактерії в сироварінні, бо саме пропіоновокисле бродіння – один із найважливіших процесів при дозріванні сирів. Молочна кислота, що утворюється в сирній масі в результаті молочнокислого бродіння, та її кальцієва сіль перетворюється пропіоновокислими бактеріями в пропіонову і оцтову кислоти та вуглекислий газ. Пропіонова кислота зумовлює типовий сирний гострий смак і запах сичугових сирів. Характерний приємний солодкуватий смак деяких сирів (типу швейцарського) зумовлює пропіоновокислий кальцій, а відокремлення вуглекислого газу призводить до утворення характерного малюнку сиру (великі, не густі, правильної кулястої форми "вічка").
Пропіонова кислота та її солі є інгібіторами плісені, завдяки чому використовуються з метою попередження пліснявіння різних продуктів, а також при виготовленні силосу. Деякі види пропіоновокислих бактерій синтезують вітамін В12. Їх використовують для отримання чистого препарату цього вітаміну. В складі комбінованих з молочнокислими бактеріями заквасок їх використовують для природного збагачення різних продуктів цим життєво необхідним вітаміном.
Маслянокисле бродіння
Маслянокисле бродіння – це процес розкладу цукру на масляну кислоту, вуглекислий газ та водень в результаті життєдіяльності маслянокислих бактерій. Підсумувати цей процес можна таким рівнянням:
С6Н12О6 = С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2.
До утворення піровиноградної кислоти і оцтового альдегіду процес маслянокислого бродіння іде по тій же схемі, що й процес спиртового бродіння. Далі цей процес іде по надто складній схемі, через цілу ланку проміжних продуктів. Тому при маслянокислому бродінні, поряд з головними продуктами бродіння (масляною кислотою, вуглекислим газом та воднем), утворюються побічні продукти (бутиловий спирт, ацетон, етиловий спирт, оцтова кислота). Масляна кислота утворюється в результаті альдольної конденсації (розривається подвійний зв’язок в альдольній групі = О). При цьому утворюється альдегід β-оксимасляної кислоти, який після внутрішньомолекулярного окиснювального процесу перетворюється в масляну кислоту.
| О | О | О | |
| // | // | // | |
| СН3-С | + СН3-С | ® СН3-СН(ОН)СН2С | ® СН3СН2-СН2-СООН |
| \ | \ | \ | |
| Н | Н | Н | |
| Альдегід b-оксимасляної кислоти | Масляна кислота |
Побічні продукти утворюються, коли проходить не альдольна конденсація, а окисно-відновний процес між двома молекулами оцтового альдегіду. При цьому в результаті відновлення однієї з молекул оцтового альдегіду утворюється етиловий спирт, а в результаті окиснення іншої – оцтова кислота.
| О О |
| // // |
| СН2-С-Н + СН3-С-Н ® С2Н5ОН + СН3СООН |
| |
| Відновлення. – Н2О – окиснення |
| |__________________| |
Збудники маслянокислого бродіння – маслянокислі бактерії –ферментують не тільки моносахариди, але й дисахариди і полісахариди (крохмаль, декстрини, пектинові речовини) і солі молочної кислоти.
Маслянокислі бактерії – облігатні (строгі) анаероби. Кисень повітря для них є токсином. Вперше збудники маслянокислого бродіння були відкриті Луї Пастером. Цим відкриттям він зробив цілий переворот в біологічній науці (до Л. Пастера вважалось, що без кисню неможливе життя). Збудники маслянокислого бродіння дуже чутливі до кислотності середовища. Оптимальне значення рН 6,9–7,4. При нижчому рН середовищі вони сповільнюють свій розвиток і зміщують процес типового маслянокислого бродіння в сторону ацетонобутилового, тобто утворюється більше бутилового спирту та ацетону і менше масляної кислоти. Оптимальна температура розвитку маслянокислих бактерій 30–40°С.
Всі маслянокислі бактерії мають форму паличок і утворюють спори. Відносяться до роду Clostridium (спори звичайно розташовуються в центрі палички і вона нагадує веретено). Спори не дуже термостійкі (витримують кип’ятіння впродовж кількох хвилин). Маслянокислі бактерії – це рухомі, доволі великі палички. Джгутики розташовуються з усіх сторін клітини (перетрихи).
Зустрічається доволі багато видів маслянокислих бактерій. Найбільш типовими представниками є такі: Clostridium butyricum, Cl. Sacharobutiricum i Clost. Pasteurianum.
Характерною морфологічною особливістю всіх маслянокислих бактерій є вміст в клітинах запасної поживної крохмалеподібної речовини – гранульози (у вигляді зерен-гранул), що забарвлюється йодом в синьо-фіолетовий колір. Завдяки наявності гранульози маслянокислим бактеріям часто надають родову назву Granulobacter (замість Clostridium).
Маслянокислі бактерії широко розповсюджені в природі. Вони завжди є в ґрунті, в гної, на дні озер та рік. Наявність маслянокислих бактерій в продуктах харчування говорить про забруднення їх землею чи гноєм. В природі маслянокисле бродіння має позитивне значення як ланка в ланцюгу кругообігу речовин (перетворення органічних речовин в неорганічні). В народному господарстві воно часто завдає великих втрат. Так, маслянокислі бактерії і маслянокисле бродіння є причиною псування різних харчових продуктів. Наприклад, масового псування картоплі. Те, що в побуті називають гниттям картоплі, – найчастіше є розкладом крохмалю маслянокислими бактеріями (мокра гниль картоплі). Маслянокислі бактерії можуть стати причиною псування й інших овочів. Розвиваючись в харчових продуктах, маслянокислі бактерії утворюють масляну кислоту, а остання надає продуктам гіркого смаку і неприємного запаху.
Завдяки здатності до спороутворення, маслянокислі бактерії є причиною псування пастеризованих продуктів. Скисання пастеризованого молока (щільно закритого) зумовлене розвитком маслянокислих бактерій, що не гинуть при пастеризації. Прокисле пастеризоване молоко часто має неприємний гіркий смак, зумовлений утворенням масляної кислоти. Крім того, значна кількість газів (вуглекислого газу і водню), на утворення яких витрачається 60 % ферментованого цукру (40 % цукру іде на утворення масляної кислоти), призводить до того, що весь згусток пронизаний пухирцями газу, й одночасно спостерігається сильне виділення сироватки зі згустку.
Маслянокислі бактерії є також причиною псування сирів. Масляна кислота надає їм неприємного смаку, і, крім того, через виділення величезної кількості газів (вуглекислого газу й водню) є причиною здуття сирів.
Маслянокислі бактерії є причиною псування овочевих та фруктових консервів, при виробництві яких застосовували тільки пастеризацію (бомбаж банок), згіркнення зволоженої муки та ін. При уповільненому молочнокислому бродінні вони можуть стати причиною псування квашених овочів, надавати їм гострого прогірклого смаку та різкого неприємного запаху.
Масляна кислота має дуже різкий, неприємний кисло-гіркий смак, але її складні ефіри мають прекрасний запах (метиловий ефір –яблучний, етиловий – грушевий, аміловий – ананасний). Ці ефіри широко використовуються в кондитерській промисловості при виробництві безалкогольних напоїв, а в парфумерії – як ароматичні речовини. Для виготовлення названих ефірів потрібна масляна кислота, яку отримують шляхом бродіння із крохмале- або цукромісткої сировини: картоплі, зерна, відходів цукрового виробництва. Для того, щоб реакція у ферментуючій рідині залишалась нейтральною (процес типового маслянокислого бродіння іде нормально тільки в нейтральному середовищі), додають крейду. Саме вона зв’язує масляну кислоту, яка утворюється в результаті життєдіяльності внесених маслянокислих бактерій, і, таким чином, реакція залишається нейтральною. Бродіння триває 10 діб при температурі 40°С. Потім кальцієву сіль масляної кислоти розкладають, додаючи соляну кислоту. В результаті утворюється хлористий кальцій і вільна масляна кислота, яка спливає на поверхню у вигляді маслянистого шару.
Ацетонобутилове та ацетоноетилове бродіння
Ацетонобутилове бродіння
Ацетонобутилове бродіння дуже близьке до маслянокислого. Це його різновид. Кінцевими продуктами є ацетон СН3-СО-СН3, бутиловий спирт С4Н9ОН, етиловий спирт С2Н5ОН, вуглекислий газ та водень. З усієї кількості цукру, що йде на бродіння, 40 % йде на утворення спиртів та ацетону, а 60 % – на утворення газів.
Якщо до ферментуючої рідини додати оцтову кислоту, то при цьому збільшується вихід ацетону, а якщо додати масляну – вихід етилового спирту.
Ацетонобутилове бродіння має дві фази. Перша – кислотна. Вона триває 18–24 години і суть її полягає в накопиченні кислот: оцтової та масляної. Друга фаза – ацетонобутилова. Її суть – в перетворенні накопичених кислот в ацетон та бутиловий спирт.
Ацетон та бутиловий спирт мають широке застосування в різних галузях промисловості: при виробництві синтетичного каучуку, в лакофарбній промисловості, в хімічній при виробництві різних складних ефірів та ін. Завдяки важливому технічному значенню ацетону й бутилового спирту виробництво цих продуктів шляхом бродіння отримало широкий розмах. Отримують їх із крохмалемісткої сировини. Як збудник бродіння використовують один з різновидів маслянокислих бактерій – Clostr. acetobutylicum. Ацетон і спирти одержують із бражки шляхом перегонки, а барду (залишені відходи) використовують для виділення вітаміну В2, який продукують ацетонобутилові бактерії.
Ацетоноетилове бродіння
Суть цього процесу полягає в розкладі вуглеводів з утворенням ацетону, етилового спирту, вуглекислого газу та водню. Як побічні продукти утворюються масляна, оцтова і мурашина кислоти. Збудниками бродіння є бактерії, що за морфологічними та фізіологічними ознаками дуже близькі до маслянокислих. Найчастіше зустрічається Bac. acetoaethylicus. Хімізм цього бродіння добре вивчений, але бродіння поки що не має промислового значення.
Бродіння пектинових речовин і клітковини
Бродіння пектинових речовин
Пектинові речовини, поряд з клітковиною, складають основу рослинних тканин. Вони склеюють окремі клітини, волокна і тканини рослин. Будова пектинових речовин складна. Вони складаються із пектинових кислот (полімерів галактуронової кислоти), вуглеводів –арабінози, ксилози і галактози та інших речовин – оцтової кислоти, метилового спирту. Пектинові речовини в рослинах зустрічаються в нерозчинному стані – протопектини і в розчинному – пектини.
В недозрілих плодах знаходиться протопектин, який в міру дозрівання плодів переходить в пектин. Останнє зумовлює пом’якшення плодів. При кип’ятінні весь протопектин переходить в пектин. Тому після вáрення плоди й овочі стають м’якими.
При нагріванні з кислотами пектинові речовини гідролізуються до пектинових кислот, арабінози, ксилози і галактози. Гідроліз пектинових речовин може протікати також під дією ферментів – протопектинази, пектинази і пектази. Ці ферменти є в рослинах та в багатьох мікроорганізмах-бактеріях, плісеневих грибах й актиноміцетах.
Бродінням пектинових речовин називається гідроліз цих речовин під дією мікроорганізмів, що вміщують фермент пектиназу, до складових компонентів (арабінози, ксилози, галактози, метилового спирту) з наступним перетворенням моносахаридів до більш простих речовин – масляної, оцтової, мурашиної кислот, етилового спирту, вуглекислого газу та водню. Цей етап бродіння дуже близький до маслянокислого.
Збудниками бродіння пектинових речовин є бактерії Granulobacter pectinovorum. Це (рухомі, спороутворюючі палички) різновид маслянокислих бактерій, які розкладають пектинові речовини. Вони належать до факультативних анаеробів.
Бродіння пектинових речовин має велике значення в природі та народному господарстві. Воно постійно має місце в ґрунті та воді, де розщеплюються рослинні залишки. В народному господарстві бродіння пектинових речовин використовується для виділення із стебел технічних культур волокон, які використовуються для виготовлення пряжі. З цією метою проводиться водяне вимочування льону, коноплі та інших волокнистих речовин. Зібрані з поля волокнисті рослини зв’язують в снопики і занурюють у воду (став, озеро, річку з повільною течією). У воді снопики витримують біля двох тижнів (залежно від температури). Спочатку стебла намокають. При цьому їхні нерозчинні (екстрактивні) речовини – вуглеводи, глюкозиди, пігменти та ін. переходять у воду. Там, у воді, бурхливо розвиваються різні мікроорганізми, що ферментують ці речовини. Поряд з цим розвиваються збудники бродіння пектинових речовин, що виділяють ферменти – протопектиназу, пектиназу, пектазу та інші і перетворюють спочатку нерозчинний протопектин в розчинний, а потім гідролізують пектинові речовини до складових речовин і далі –до більш простих. Бродіння закінчується, коли пектинові речовини руйнуються. При цьому спостерігається ослизнення стебел і ослаблення зв’язку між луб’яними волокнами та клітинами інших тканин стебла. Після закінчення бродіння цих речовин снопики виймають з води, просушують і обробляють на м’ялках для виділення волокна.
На заводах, з метою прискорення та покращання вимочування волокнистих культур, застосовують чисті культури Granulobacter pectinovorum, а воду в басейнах, де проходить мочка цих рослин, підігрівають до 28°С (оптимальна температура для розвитку збудників бродіння). Отже, вимочування волокнистих рослин – це бродіння (процес розкладу) пектинових речовин в анаеробних умовах.
Інколи замість водяного вимочування проводять росяне. При ній льон чи коноплю розстеляють на траві і витримують під дією повітря, роси, сонця та атмосферних опадів упродовж 2–3 тижнів. При цьому також проходить розклад пектинових речовин, але не в результаті життєдіяльності Granulobacter pectinovorum, а в результаті розвитку різних аеробних мікроорганізмів – грибів, актиноміцетів, які окиснюють пектинові речовини з утворенням різних газоподібних продуктів.
Бродіння клітковини
Клітковина (целюлоза) – це один із найскладніших полісахаридів, який характеризується великою стійкістю в хімічному відношенні. З клітковини побудовані оболонки всіх рослинних клітин (на відміну від бактерій і тварин). Організм людини не має ферментів, які б викликали гідроліз клітковини, тому клітковина не засвоюється організмом людини. Деякі ж бактерії і плісеневі гриби мають ферменти, що гідролізують клітковину. До таких ферментів належить фермент целюлоза, що розкладає клітковину на більш прості речовини типу целобіози. Остання ферментом целобіазою гідролізується до глюкози. Далі глюкоза перетворюється на масляну і оцтову кислоту, вуглекислий газ, водень та метан.
Таким чином, бродіння клітковини – це розклад її в анаеробних умовах з утворенням масляної і оцтової кислот, вуглекислого газу, водню та метану. В найбільшій кількості утворюються водень та метан.
Збудники бродіння клітковини – це довгі, тонкі, спороутворюючі палички. Спори утворюються на її кінцях. Клітина зі спорою нагадує барабанну паличку (Plectridium). Найкраще вивчені два різновиди збудників цього бродіння, а саме: Bac. cellulosae hydrogenicus, кінцевим продуктом якого є водень і Bac. cellulosae methanicus, який, головним чином, утворює метан.
Бродіння клітковини досить поширене в природі і має місце всюди, де проходить розклад рослинних залишків. Тому це бродіння має велике значення в загальному кругообігу вуглецю в природі. Важливу роль відіграють вони у руйнуванні осадів виробничих побутових стічних вод в очисних спорудах – метантанках. Разом з тим збудники бродіння клітковини приносять і шкоду, руйнуючи різні матеріали, які містять клітковину.
Аеробні процеси
Аеробні процеси – це окиснювальні процеси, при яких органічні речовини окиснюються киснем повітря до кінцевих продуктів розпаду (води та вуглекислого газу) або до більш простих сполук. Якщо повного окиснення речовин до кінцевих продуктів розпаду (води та вуглекислого газу) не відбувається, то такі аеробні процеси називають умовно-окиснювальними бродіннями. Таку назву отримали ці процеси тому, що продукти окиснювальних бродінь дуже подібні до продуктів, які утворюються при справжніх (анаеробних) бродіннях.
Типовими прикладами окиснювальних бродінь, що мають широке промислове використання, є оцтовокисле і лимоннокисле бродіння.
Оцтовокисле бродіння
Оцтовокисле бродіння – це процес окиснення етилового спирту до оцтової кислоти в результаті життєдіяльності мікроорганізмів.
З глибокої давнини оцтовокисле бродіння використовувалось для отримання оцту із вина, але суть цього бродіння була вивчена тільки Л. Пастером. Він вивчав оцтовокисле бродіння одночасно зі спиртовим. За часів Л. Пастера у Франції було дуже сильно розвинуте виноробство. Однак вина часто псувались від різних хвороб, прокисали. Л. Пастер вивчав причини прокисання вин. В скислому вині, поряд з дріжджами, він побачив паличкоподібні, неспороутворюючі, нерухомі бактерії. Так були відкриті оцтовокислі бактерії.
Хімізм оцтовокислого бродіння. Хімізм цього бродіння відносно простий. Окиснення етилового спирту оцтовокислими бактеріями протікає у дві стадії. На першій оцтовокислі бактерії, використовуючи кисень повітря, окиснюють етиловий спирт до оцтового альдегіду. На другій оцтовий альдегід окиснюється до оцтової кислоти.
| О |
| // |
| 1 стадія: 2С2Н5ОН + О2 ® 2СН3С-Н + 2Н2О |
| О |
| // |
| 2стадія: 2СН3С-Н + О2 ® 2СН3СООН |
Збудники оцтовокислого бродіння. Оцтовокислі бактерії – це нерухомі, доволі великі палички. Спор вони не утворюють, по Граму забарвлюються достатньо. Відносяться до строгих аеробів, тобто можуть розвиватися тільки при наявності кисню повітря. При розмноженні клітини не відходять одна від одної, тому утворюються цілі ланцюги оцтовокислих бактерій. Сполучення клітин у вигляді довгих ланцюгів зумовлює утворення плівок на продуктах, де розвиваються оцтовокислі бактерії. Різні види оцтовокислих бактерій дають плівки різного характеру (одні дають щільну хрящоподібну плівку, інші – тонку, суху та ін.). Відомо більше 20 видів різних оцтовокислих бактерій, які відрізняються між собою здатністю накопичувати різну кількість оцтової кислоти (одні накопичують 6 %, інші – до 12 %), різною стійкістю до спирту, різним характером плівки, що утворюється при бродінні, а також розміром.
Оцтовокислі бактерії широко розповсюджені в природі. Вони завжди є в повітрі, на дозрілих плодах, ягодах та інших об’єктах.
Найважливішими представниками оцтовокислих бактерій є
такі види:
Bact. Pasteurianum – короткі палички, які розвиваються в середовищі з концентрацією етилового спирту 8–9% і накопичують 6–8% оцтової кислоти.
Bact. aceti накопичує тільки 6% оцтової кислоти.
Bact. Schutzenbahi можуть утворювати до 12% оцтової кислоти. Саме цей вид оцтовокислих бактерій використовують для промислового виробництва оцту.
Bact. xylinum утворює на поверхні субстрату масивну хрящоподібну плівку. Цей вид бактерій в побуті неправильно називають чайним грибом і використовують для отримання в домашніх умовах кислуватого напою із чаю. Утворює незначну кількість оцтової кислоти (не більше 2 %), зате ферментує не тільки етиловий спирт, але й цукор.
Оптимальна температура для розвитку всіх оцтовокислих бактерій 30–35°С, при температурі 65°С вони гинуть. Деякі види оцтовокислих бактерій здатні синтезувати вітаміни В1, В2, В12.
Значення оцтовокислого бродіння. Оцтовокислі бактерії використовують для отримання столового оцту з етилового спирту. В промисловості звичайно використовують так званий швидкий спосіб бродіння. Цей процес протікає у великих дерев’яних вежах (окиснювачах), висота яких 8 м, ширина 3 м. Генератори (окиснювачі) мають подвійне дно. На верхнє, ґратчасте дно завантажують букові стружки, на поверхні яких вирощують оцтовокислі бактерії. Стружка продувається повітрям, яке поступає через ґратчасте дно. У верхній частині генератора є пристрій для рівномірного зрошення стружки спиртовим субстратом. Оцтову кислоту (оцет), яка утворюється при проходженні субстрату через шар стружки, зливають через сифонний пристрій внизу генератора. Вихідним субстратом для виробництва оцту може слугувати 10 % – ний спиртовий розчин, підкислений 1 % оцтової кислоти, а також виноградні та плодово-ягідні вина. Генератор може працювати без перерви декілька років, якщо робоча культура не буде забруднена шкідниками. До шкідників при виробництві оцту належать плівчасті дріжджі Mycoderma aceti та дикі форми Bact. xylinum, що спричиняють переокиснення оцтової кислоти до вуглекислого газу і води. Цим вони завдають великих втрат виробництву, тому що вихід оцту суттєво знижується. Крім того, в генераторі можуть розвиватися оцтові угриці – дрібні (довжиною 1–2 мм) черв’ячки, що живляться оцтовокислими бактеріями. При цьому оцет мутніє і в ньому з’являється неприємний присмак. Такий оцет можна очистити пастеризацією з наступною фільтрацією.
Останнім часом виробництво оцту здійснюється також "глибинним" способом в герметично закритих апаратах. Суть цього способу виробництва в тому, що спиртомісткий субстрат з введеними в нього оцтовокислими бактеріями аерується і змішується з повітрям, яке безперервно подається в апарат. Цей спосіб виробництва має вагомі переваги: великі виробничі площі не потрібні, процес повністю автоматизований, тому проходить значно швидше, виключається можливість зараження шкідниками.
Треба пам’ятати також про те, що спонтанний розвиток оцтовокислих бактерій може завдавати також великої шкоди, спричиняючи прокисання вина і пива. Для того, щоб попередити прокисання цих напоїв, необхідно зберігати їх у повністю заповнених бочках. Тоді у бочках не буде кисню, а це означає, що не буде умов для розвитку оцтовокислих бактерій. Якщо ж почалось прокисання напоїв, але процес ще недалеко зайшов, напої можна виправити пастеризацією при температурі 65°С. Якщо ж розвиток оцтовокислих бактерій виявлено не одразу, а лише тоді, коли напої уже прокисли, то такі напої можна використати тільки для виробництва оцту.
Лимоннокисле бродіння
Всі плісеневі гриби є облігатними (строгими) аеробами. Багато з них здатні окиснювати повітря, цукри та деякі інші органічні речовини з утворенням різних кислот: оцтової, молочної, масляної, щавелевої, янтарної, мурашиної, яблучної, лимонної, глюконової та ін. Широке практичне використання передбачає, однак, тільки лимоннокисле бродіння.
Лимоннокислим бродінням називається процес окиснення цукру до лимонної кислоти в результаті життєдіяльності плісеневих грибів. Кінцевий результат бродіння можна подати таким сумарним рівнянням:
| СН2СООН |
| | |
| 2C6H12O6 + 3O2 = 2HO-C-COOH + 4H2O |
| | |
| CH2COOH |
| Лимонна кислота |
Хімізм лимоннокислого бродіння до цього часу остаточно не вивчений. Багато дослідників вважає, що до утворення піровиноградної кислоти цей процес іде так само, як і інші бродіння.
В якості збудника лимоннокислого бродіння найчастіше використовують гриб Aspergillus niger.
При виробництві лимонної кислоти живильний субстрат (20%-ний розчин цукру з додатками мінеральних солей) розливають тонким шаром (2,5 см) у кювети. Живильний субстрат засівають спорами гриба. Гриб вирощують впродовж 2–3 діб при температурі 30°С і високій відносній вологості повітря. Коли субстрат покриється грибною плівкою з конідіями, з-під плівки випускають живильний субстрат і знизу для бродіння підливають чистий 20%-ний розчин цукру. Починається друга стадія процесу – власне бродіння, яке продовжується 3–4 доби. Після ферментації в розчині є лимонна, глюконова та щавлева кислоти. Лимонну кислоту виділяють із суміші кислот у вигляді лимоннокислого кальцію (в розчин додають вапно). Потім лимоннокислий кальцій розкладають сірчаною кислотою і отримують вільну лимонну кислоту. Вихід лимонної кислоти складає 65% від витраченої сировини. Під одну плівку гриба можна підливати розчин цукру 5 раз.
Поряд з описаним поверхневим методом (гриб розвивається на поверхні субстрату) виробництва лимонної кислоти застосовують глибинний спосіб, при якому ферментація проходить в ферментаторах важкої ємності (танках). Міцелій гриба додають в живильний субстрат, що знаходиться в герметично закритому танку. Для забезпечення росту гриба в глибинних шарах рідини остання продувається сильним струменем повітря – аерується. Цей спосіб значно продуктивніший і дозволяє уникнути забруднення субстрату сторонніми мікроорганізмами.
Лимонна кислота широко використовується в кондитерській промисловості, у виробництві безалкогольних напоїв, а також в медицині й кулінарії.
Перетворення азотистих речовин
До азотистих речовин належать білки і продукти їх гідролізу (альбумози, пептони, поліпептиди, амінокислоти), а також солі азотної кислоти, аміак, сечовина та ін. Всі азотисті речовини можуть перетворюватись мікроорганізмами. З позицій товарознавства харчових продуктів найбільш важливим є знання процесів гниття.
Процеси гниття
Гниття – це процес розкладу білкових речовин до кінцевих продуктів розпаду в результаті життєдіяльності гнильних бактерій.
Гнильні процеси зумовлюють псування різних продовольчих товарів, багатих білками.
Хімізм процесу гниття. Білкові речовини складаються з різних амінокислот: моно- і ді- амінокислот, сіркомістких, ароматичних та інших амінокислот.
Гниття починається з розкладу білків до амінокислот. Ця початкова стадія іде під впливом протеолітичних ферментів, які гнильні бактерії виділяють в навколишнє середовище.
Далі амінокислоти мінералізуються до вуглекислого газу, аміаку, води, сірководню, водню.
У процесі мінералізації амінокислот утворюються проміжні речовини – різні азотні і безазотні органічні сполуки (органічні кислоти, спирти, аміни та ін.). Із діаміномонокарбонових кислот в результаті розщеплення вуглекислого газу утворюються діаміни, які мають токсичні властивості. Так, із лізину в результаті декарбоксилювання утворюється кадаверин, а із орнітину – путресцин:
декарбоксилаза
NH2(CH2)4CHNH2COOH NH2(CH2)5NH2 + CO2
лізин кадаверин
декарбоксилаза
NH2(CH2)3CHNH2COOH NH2(CH2)4NH2 + CO2
орнітин путресцин
Кадаверин, путресцин та інші подібні органічні основи, що утворюються в процесі гниття, об’єднані загальною назвою – птомаїни (трупні яди). Особливо багато птомаїнів накопичується, коли гниття проходить в анаеробних умовах.
В процесі розпаду ароматичних амінокислот утворюється фенол, крезол, скатол та індол, яким теж притаманні токсичні властивості і дуже неприємний запах.
Багато продуктів гниття (як проміжних, так і кінцевих) мають неприємний запах. Тому в побуті гниття завжди пов’язують з появою неприємного запаху.
Збудники гниття. В групу гнильних входить значна кількість різних видів бактерій. Вони широко розповсюджені в природі, завжди знаходяться в повітрі і в ґрунті, де є різні залишки рослинних і тваринних організмів. Серед гнильних бактерій бувають спороутворюючі і неспороутворюючі, рухомі і нерухомі, аеробні і анаеробні (більшість аероби), але всі гнильні бактерії мають паличкоподібну форму і майже всі рухомі.
Найчастіше зустрічаються наступні види гнильних бактерій:
Протей (Bact. proteus vulgare) – аеробна, неспороутворююча, маленька, дуже рухлива перитрихіально-джгутована паличка. Це найбільш поширена причина псування м’яса, риби та інших білкових продуктів. Деякі види протею відносяться до факультативних анаеробів і можуть виділяти токсичні для людини речовини. Особливо енергійна рухливість протея лежить в основі виявлення його в харчових продуктах і виділення його чистої культури.
Картопляна паличка (Bac.mesentericus) – це аеробна, рухлива, спороутворююча паличка, яка накопичує багато сірководню. Вона спричиняє гниття м’яса, риби, а також так звану "тягучу хворобу" хліба. М’якуш хліба при цьому перетворюється в густу слизисту масу, що витягується в нитки.
Сінна паличка (Bac. subtilis) – спороутворююча аеробна, рухома паличка, яка є причиною псування різних білкових субстратів. Постійно зустрічається в сіні, звідкіля і отримала свою назву. Треба мати на увазі, що згідно з Міжнародним кодексом номенклатури бактерій сінна і картопляна палички розглядаються як синоніми одного виду Bac. subtilis. Поряд з розкладом білків ці бактерії здатні розкладати пектинові речовини та інші полісахариди рослинних тканин, ферментувати вуглеводи.
Bac. mycoides – аеробна, рухома, спороутворююча паличка, одна з найбільш поширених збудників гниття різних білкових залишків у ґрунті.
Bac. Psendomonas – аеробні, рухливі, неспороутворюючі палички. Холодостійкі (мінімальна температура росту = 5°С). Поряд з протеолітичною активністю їм притаманна ліполітична активність.
Із анаеробних гнильних бактерій найчастіше зустрічаються Bac. putrificus і Bac. sporogenes. Це спороутворюючі палички, які можуть бути причиною псування баночних консервів (якщо в процесі виробництва порушено режим їх стерилізації). Інтенсивне виділення газів (сірководню, аміаку, водню, вуглекислого газу) призводить до здуття – бомбажу банок.
У зв’язку з розповсюдженням гнильних бактерій, багаті білковими речовинами продовольчі товари і страви дуже швидко можуть піддаватись гнильному псуванню, якщо вони зберігаються в умовах, що не захищають їх від розвитку мікроорганізмів. Отже, у виробництві харчових продуктів та при їх зберіганні гнильні мікроорганізми є шкідниками, що призводить до псування цих товарів.
Але в природі гнильні мікроорганізми мають велике позитивне значення. Вони є невидимими помічниками людини в сільському господарстві. Розкладаючи органічні залишки тваринного й рослинного світу (різні білкові речовини) в ґрунті, гнильні бактерії збагачують ґрунт мінеральним азотом, а повітря вуглекислим газом, і, таким чином готують поживу для рослин. Якби не було гнильних бактерій, не було б кругообігу азоту в природі, і життя на Землі зупинилося б.
Нітрифікація та денітрифікація
Нітрифікація – це процес окиснення амонійних солей в азотнокислі солі. Збудниками процесу нітрифікації є нітрифікуючі бактерії.
Нітрифікуючі бактерії можуть розвиватись тільки на мінеральних середовищах, тобто на середовищах, в яких є амонійні солі. Вони відносяться до хемоавтотрофів і живуть в ґрунтах, природних водоймищах, збагачуючи їх нітратами – кращими джерелами азотистої поживи для рослин.
Професор С. Виноградський, який вважається засновником мікробіології ґрунтів, виявив, що процес нітрифікації має дві фази, кожна з яких зумовлена діяльністю особливих аеробних бактерій.
На першій фазі проходить окиснення аміаку до солей азотистої кислоти, тобто до нітритів. Ця фаза іде з участю так званих нітрозних бактерій:
2NH3 + 3O2 ® 2HNO2 + 2H2O + 158 ккал
На другій фазі має місце подальше окиснення нітритів до нітратів, тобто до солей азотної кислоти. Ця фаза іде з участю нітратних бактерій:
2HNO2 + O2 ® 2HNO3 + 48 ккал
Всі нітрифікуючі бактерії добре розвиваються і виявляють свою життєдіяльність при рН 8–9. Це одна з причин необхідності розкиснювання ґрунтів, внесенням в них вапна.
Денітрифікація – це відновлення нітратів до молекулярного азоту. Бактерії – збудники цього процесу – називаються денітрифікуючими. Вони є факультативними анаеробами і досить поширені в природі – в ґрунті, гною, водоймищах. Ці бактерії є шкідниками сільського господарства, оскільки завдають великої шкоди родючості ґрунту, розкладаючи найкраще джерело азотистого живлення рослин – солі азотної кислоти – до вільного азоту, який не може засвоюватися рослинами.
Денітрифікуючі бактерії можуть також розкладати нітрати до нітритів. Такі бактерії використовуються при засоленні м’яса і ковбасних виробів для надання цим продуктам приємного рожевого забарвлення. При засоленні м’яса, шинки, фаршу для ковбасних виробів та ін. до кухонної солі додають нітрати. Останні, під впливом денітрифікуючих бактерій, які завжди знаходяться на цих продуктах, відновлюють нітрати до нітритів. Нітрити ж вступають в сполуку з барвниковою речовиною – міоглобіном крові, що надає продуктам червоно-рожевого кольору. Перевірити здатність до денітрифікації чистих культур бактерій, виділених з м’яса дуже просто. Для цього їх вирощують на середовищі, в якому є нітрат, а потім додають розчин крохмалю та йодистого калію. Якщо це денітрифікатори, то нітрати відновились до нітритів, а нітритна кислота дуже активна, і тому витіснить йод із йодистого калію. В результаті йод дасть з крохмалем синє забарвлення.
2HNO2 + 2KI ® 2KNO2 + I2 + H2
I2 + крохмаль ® синє забарвлення
Якщо ж відновлення нітратів не має місця, синє забарвлення не з’явиться, бо нітратна кислота значно слабша, ніж нітритна і не здатна витіснити йод із йодистого калію.
HNO3 + KI ® реакція не відбувається
KI + крохмаль ® забарвлення без змін
Розклад сечовини
Продуктом обміну речовин у тварин є сечовина – СО(NH2)2, яка виводиться з організму разом із сечею (в сечі 2,5 % сечовини). Азот у формі сечовини, так само, як і вільний азот, не засвоюється ані рослинами, ані тваринами. Якби сечовина не розкладалася бактеріями, то в природі накопичилася б величезна кількість сечовини.
Сечовина розкладається уробактеріями – аеробними бактеріями, які мають фермент уреазу. Ці бактерії розкладають сечовину з утворенням вуглекислого газу і аміаку:
уреаза
CO(NH2)2 + H2O CO2 + 2NH3, або
уреаза
2СО(NH2)2 + 3H2O (NH4)2CO3 + 2NH3 + CO2
Уробактерії розвиваються тільки в лужному середовищі. Оптимальне значення pH-8 (нижче 7 не розвиваються). Всі уробактерії рухомі й утворюють спори. Найбільш енергійно руйнують сечовину такі види уробактерій: Urobacillus Pasteurii i Sarcina ureae. Остання – виняток із правила про те, що кулясті бактерії не здатні рухатись. Ця сарцина перитрихіально-джгутована, рухається поволі, перекочуючись з одного боку на інший.
Фіксація атмосферного азоту
Рослини і тварини не здатні фіксувати (засвоювати) азот із повітря. Ця здатність притаманна тільки деяким мікроорганізмам. Такі бактерії, які можуть засвоювати азот безпосередньо з повітря, називаються азотофіксуючими.
З давніх часів відомо, що бобові рослини добре ростуть на ґрунтах, бідних на азот. Відомо також, що після культивування бобових ґрунт збагачується на азот, тобто підвищується його урожайність. Спочатку вважали, що це бобові рослини, на відміну від інших, можуть засвоювати азот безпосередньо з повітря, і тільки недавно виявлено, що засвоєння атмосферного азоту здійснюється не бобовими рослинами, а бактеріями, що живуть на бульбочках коріння бобових рослин. Ці бактерії були названі бульбочковими. Частину азоту, який бульбочкові бактерії засвоюють із повітря, вони використовують для побудови свого тіла, а частину виділяють назовні у вигляді солей, які використовуються бобовими рослинами. Від бобових рослин бульбочкові бактерії беруть на обмін вуглеводи, які необхідні їм для живлення. Таким чином, бульбочкові бактерії знаходяться в симбіотичних відносинах з бобовими рослинами.
Форма бульбочкових бактерій не постійна і змінюється залежно від їхнього віку. Молоді бактерії – це невеликі рухомі палички. З віком вони втрачають джгутики, стають нерухомими, набувають зігнутої форми або неправильної, розгалуженої. Бульбочкові бактерії мають досить багато різних видів. Кожний з них може розвиватися тільки на певному виді бобових рослин.
Поряд з бульбочковими бактеріями до азотофіксуючих відноситься азотобактер (Azotobacter сhroococcum).
Ці аеробні бактерії, що вільно живуть в ґрунті, мають форму сплющених коків, з’єднаних попарно. Розміри клітин досить великі, а їхня оболонка утворює велику слизисту капсулу.
Всі азотофіксуючі бактерії відіграють важливу роль в сільському господарстві, бо вони постійно збагачують ґрунти азотом, який беруть із повітря. Деякі азотофіксуючі бактерії спеціально вносять в ґрунти у вигляді бактеріальних добрив (препарат азотобактерин – із азотобактера; нітрагін – із культур бульбочкових бактерій).
Роль мікробіологічних процесів
у кругообігу речовин у природі
Кругообіг речовин у природі – це процес синтезу і розпаду органічних речовин.
Первісний синтез органічних речовин у природі здійснюється зеленими рослинами. Вони засвоюють вуглець з повітря (у вигляді вуглекислого газу), а азот (у вигляді азотнокислих солей) і воду із ґрунту. Із цих простих мінеральних речовин рослини синтезують білки, жири і вуглеводи.
Тварина та людина не здатні синтезувати органічні речовини із мінеральних. Тому їм потрібні готові органічні сполуки, які вони отримують, споживаючи продукти рослинного й тваринного походження. Залишки тварин і рослин потрапляють у ґрунт, де під впливом гнильних бактерій та інших мікроорганізмів відбувається їхня мінералізація. В результаті, в ґрунт повертаються джерела мінерального азоту, а повітря поповнюється вуглекислим газом. Таким чином, рослини знову отримують матеріал для побудови органічних речовин. Якби не було мікроорганізмів, запаси вуглекислого газу в повітрі та запаси мінерального азоту в ґрунті давно були б вичерпані. Рослинам не було б з чого синтезувати органічні речовини, тваринам не було б чим живитись і життя на планеті зупинилося б.
Накопичувальні (елективні) культури
мікроорганізмів
Ще в кінці минулого століття російський вчений професор С.Виноградський запровадив у науку поняття елективних живильних середовищ. Елективним (або вибірковим) живильним середовищем називають таке середовище, яке використовується для вирощування тільки однієї групи мікроорганізмів, і не може використовуватись для розвитку інших.
Окремі мікроорганізми ставлять різні вимоги не тільки до поживних речовин, але до реакції середовища, і до таких умов культивування, як наявність або відсутність кисню повітря. Різні вимоги окремих мікроорганізмів і до температури культивування.
Для окремих видів і груп мікроорганізмів можна підібрати так звані елективні, тобто вибіркові умови, в яких зможуть розвиватися тільки ті мікроорганізми, для яких створені ці умови. Всі інші мікроорганізми або зовсім не будуть розвиватися і навіть загинуть, або ж збережуть свою життєздатність, але вона буде виявлятися дуже слабо. Таким чином, користуючись елективними середовищами і створюючи елективні умови для розвитку якогось виду (або групи мікроорганізмів) можна досягнути бурхливого розвитку цього виду (групи) мікроорганізмів і майже повного виділення сторонніх мікроорганізмів. Однак, безумовно, чисту культуру, тобто культуру одного виду без всіляких домішок сторонніх мікроорганізмів, одержати так неможливо.
Культура мікроорганізмів, вирощена в елективних умовах, на елективному живильному середовищі, називається накопичувальною або елективною культурою.
Вирощування накопичувальних культур – це засіб культивування мікроорганізмів, за допомогою якого можна з суміші різних мікроорганізмів одержати таку культуру, в якій буде переважати тільки один вид мікроорганізмів, для якого будуть створені сприятливі умови.
Інших супутніх мікроорганізмів буде незначна кількість, оскільки створені умови виявились для них несприятливими, що призупинило їх розвиток.
Накопичувальними культурами широко користуються для виділення чистої культури певного заданого виду мікробів з природних місць проживання. Вирощування накопичувальної культури цього виду мікробів є першим, підготовчим етапом для одержання чистої культури даного виду мікробів. З накопичувальної культури шляхом висіву на тверді поживні середовища одержують вже чисту культуру даного виду мікробів.
Накопичувальні культури широко використовують під час переробки різних продуктів. Так, наприклад, квашення капусти базується на процесі молочнокислого бродіння, збудниками якого є молочнокислі бактерії. Однак чисті культури молочнокислих бактерій під час квашення капусти, як правило, не використовуються, а тільки створюють умови, що стимулюють розвиток молочнокислих бактерій (молочнокислі бактерії, поруч з іншими, знаходяться завжди на поверхні усіх овочів і в повітрі) і затримують розвиток усіх інших мікроорганізмів. Такими вибірковими умовами для молочнокислих бактерій під час квашення капусти є, наприклад, анаеробні умови, що створюються завдяки подрібнюванню капусти, ретельному набиванню подрібненої маси у бочки і закупорюванню бочок.
Молочнокислі бактерії – це анаеробні мікроорганізми, тому в таких умовах вони розвиваються дуже добре, але, разом з цим, анаеробні умови затримують повністю розвиток плісеневих грибів. Кисле ж середовище, що утворюється в результаті розвитку молочнокислих бактерій, перешкоджає розвитку гнійних бактерій (гнійні бактерії розвиваються лише в нейтральному або слаболужному середовищі). Таким чином, квашення капусти – це один з прикладів використання накопичувальних культур молочнокислих бактерій.
Для кращого засвоєння викладеного матеріалу нижче наводяться приклади отримання накопичувальних культур деяких мікроорганізмів.
