2015-01-30
14662
Маслянокислое брожение – это процесс превращения бактериями в анаэробных условиях углеводов, спиртов и других органических веществ в масляную кислоту (бутират). Суммарное уравнение процесса: С6Н12О6 → СН3СН2СН2СООН + 2 СО2 + Н2 + Эн.
При этом брожении кроме масляной кислоты накапливаются побочные продукты – бутанол, этанол, ацетон, органические кислоты (уксусная, капроновая, каприловая).
При маслянокислом брожении под воздействием ферментов микроорганизмов сначала происходит гидролиз полисахаридов или других органических веществ до гексоз, затем до образования ПВК брожение идет по ЭМП-пути. Далее ПВК подвергается ферментами микроорганизмов дегидрированию, в результате чего при участии КоА образуется ацетил-КоА (СН3СО-КоА), затем происходит конденсация двух молекул ацетил-КоА с образованием ацетоацетил-КоА. В результате восстановления ацетоацетил-КоА образуется β-оксибутирил-КоА, а из него бутират (рисунок Г.3). При маслянокислм брожении на одну молекулу глюкозы образуется три молекулы АТФ (две молекулы АТФ на этапе гликолиза и одна на этапе образования масляной кислоты).
|
|
|
Маслянокислое брожение широко распространено в природе. Маслянокислые бактерии обитают там, где много органического вещества и нет доступа воздуха – в иловых отложениях водоемов, в почве, в скоплениях разлагающихся отбросов, в навозе, в сточных жидкостях и т.п. Развитее этих бактерий в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря симбиозу с аэробными бактериями, использующими кислород. Маслянокислое брожение играет важную роль в цепи превращений органических веществ при минерализации.
Возбудители маслянокислого брожения относятся к роду Clostridium (C.butyricum, C.saccharodutyricum, C.amylobacter). Это строгие анаэробы. Они образуют споры, отличающиеся высокой устойчивостью. По отношению к источникам азота маслянокислые бактерии весьма неприхотливы, они усваивают белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые – азот воздуха. Бактерии C.butyricum – возбудители типичного маслянокислого брожения. Это подвижные крупные грамположительные анаэробные палочки, длиной 4-12 мкм, шириной 0,5-1,5 мкм,. перитрихи, споры располагаются центрально или субтерминально. Характерным является накопление гранулезы (специфического запасного углеводного вещества) перед образованием спор. Споры могут выдерживать кипячение в течение нескольких минут. Оптимальная температура развития бактерий 30-400С (маслянокислое брожение наиболее интенсивно протекает при 350С). Оптимальная рН их развития 6,9-7,4, при рН 4,5 бактерии прекращают развитие. Они сбраживают многие углеводы и близкие к ним соединения с обильным выделением газов (СО2 и Н2). Масляная кислота бактериями не потребляется. Кроме того, C.butyricum могут сбраживать крахмал и декстрины, так как содержат амилазу, способствующую расщеплению этих соединений до простых сахаров. Бактерии C.pasteurianum по многим свойствам сходны с C.butyricum, но более кислотоустойчивые и не сбраживают крахмал. Этот вид возбудителей маслянокислого брожения описан С.Н. Виноградским как способный усваивать атмосферный азот.
|
|
|
В промышленности масляную кислоту получают из крахмалистого сырья (картофельное, зерновое, отходы крахмального производства), мелассы (отход сахарного производства), отходов производства молочной кислоты. Брожение ведут в присутствии мела, который нейтрализует масляную кислоту. Кислота подвергается этерификации и в виде эфиров используется в парфюмерной и кондитерской промышленности.
Маслянокислые бактерии являются опасными вредителями пищевых производств. Опасно также их развитие в производствах, связанных с использованием дрожжей, так как эти бактерии сильно угнетают дрожжи. Появление маслянокислых бактерий в молочных продуктах вызывает неприятный запах и прогорклый вкус. Эти бактерии являются причиной порчи консервов (овощных, мясных, рыбных). С ними трудно бороться, так как они встречаются на любом сырье, а споры их очень устойчивы. Технологией пищевых предприятий предусмотрены профилактические меры борьбы с маслянокислой микрофлорой, используют также антибиотик низин.
Ацетонобутаноловое брожение. В химизме брожения много общего с маслянокислым. Первые стадии этого брожения идут по типу маслянокислого. В результате маслянокислого брожения среда подкисляется, что неблагоприятно для жизнедеятельности маслянокислых бактерий. Для предотвращения дальнейшего подкисления, когда в процессе брожения рН снижается до 4,5, усиливается активность ферментов, катализирующих превращение части ацетоацетила-КоАв ацетон. Это приводит к потери одного акцептора водорода в виде ацетоацетил-КоА. Чтобы компенсировать это, в процесс включаются ферменты, восстанавливающие бутирил-КоАдо бутанола. На этом этапе освобождаются две молекулы НАД+ (рисунок Г.4). Суммарное уравнение ацетонобутанолового брожения:
12С6Н12О6 → 4СН3СОСН3 + СН3(СН2)3ОН + СН3СН2СН2СООН +
+ СН3СН2ОН + 28СО2 + 18Н2 + 2Н2О + Эн.
В 1939 г. В.Н.Шапошниковым было обнаружено, что брожение имеет двухфазный характер: первая фаза кислотная, вторая – ацетонобутаноловая.
Вначале брожения происходит активный рост культуры и накопление в среде преимущественно органических кислот (масляной и уксусной). Во второй фазе рН среды снижается, рост культуры замедляется, преобладает образование нейтральных продуктов (ацетона, бутанола, этанола). Количество органических кислот может уменьшаться.
Если значение рН среды поддерживать на уровне 5,0 и выше (путем добавления мела или другими способами), то образования в большом количестве ацетона, бутанола и этанола не происходит. При низких значениях рН активизируются ферменты, катализирующие образование ацетона и бутанола. Кроме того, бутанол может частично синтезироваться из ранее образованной масляной кислоты, вновь поступающей в клетки из среды. Таким образом, в зависимости от условий брожения, т.е. подавляя какую-либо фазу брожения, можно получить усиленное накопление тех или иных продуктов.
Отличие этого брожения от маслянокислого в том, что при маслянокислом брожении накапливающиеся кислоты постепенно замедляют процесс кислотообразования и даже приостанавливают его, а при ацетонобутаноловом – образовавшиеся кислоты потребляются бактериями и превращаются в другие вещества.
Сырьем для промышленного получения ацетона и бутанола служит меласса и другое дешевое углеводсодержащее сырье. Продукты брожения применяются для нужд нитроцеллюлозной и лакокрасочной промышленности, производства фотопленок, ацетилцеллюлозы, органического стекла, в химической и фармацевтической промышленности.
|
|
|
Бактерии, образующие в процессе своей жизнедеятельности значительное количество ацетона и бутанола, широко распространены в природе. Они находятся в основном в почве и относятся к роду Clostridium, наиболее активным продуцентом является C.acetobutylicum. Этот вид используется в промышленности. Возбудители брожения являются строгими анаэробами. Они представляют собой грамположительные спорообразующие палочки, перитрихи, относятся к группе протеолитических клостридий, способны фиксировать молекулярный азот.
Ацетоноэтаноловое брожение представляет собой биологический процесс разложения углеводов особыми микроорганизмами с образованием ацетона и этилового спирта. В процессе брожения выделяется СО2 и водород. Суммарное уравнение брожения:
2С6Н12О6 + Н2О → СН3СОСН3 + 2СН3СН2ОН + 5СО2 + 4Н2 + Эн.
Начальные стадии брожения протекают подобно другим анаэробным брожениям. На более поздних стадиях брожение имеет свои особенности. Эти особенности были установлены Н.И.Иерусалимским. Брожение происходит в две фазы: фаза роста бактерий (кислотная) и фаза зрелости (ацетонная).
Возбудители брожения относятся к роду Clostridium. Возбудитель C.macerans выделен Шардингером в 1904 г. C.acetoethylicum - несколько позже. Возбудители ацетоноэтанолового брожения принадлежат к факультативным анаэробам. Это грамотрицательные палочки, гранулеза в клетках отсутствует, факультативные анаэробы, аминоавтотрофы, проявляют потребность к ряду биологически активных веществ, сбраживают многие углеводы и пектиновые вещества, клетчатку не гидролизуют. Оптимальная температура их развития 40-420С, первая фаза развития происходит при рН 8-9, вторая – рН 6-8. Соотношение этилового спирта и ацетона в этом брожении довольно стабильное и соответствует 2,5:1 или 3:1. Брожение широко распространено в природе (разложение остатков растений). Оно также может использоваться в промышленности для получения ацетона и этилового спирта.
|
|
|
