Биохимические процессы, вызываемые

МИКРООРГАНИЗМАМИ

Превращения углеродсодержащих веществ

Углерод – основной из биогенных элементов. Годовая продукция органического вещества на земле достигает 3∙10¹² т. Первоисточником синтеза любого органического вещества служит СО₂ воздуха. Содержание СО₂ в воздухе постоянно и составляет 0,03% от общего количества газов. Запасы СО₂ в процессе фотосинтеза могут быть исчерпаны на протяжении 30 лет. Однако в природе постоянно происходит обратный процесс, в результате которого углерод органических соединений возвращается в воздух в виде СО₂. Это постоянство СО₂ поддерживается как физико-химическими, так и биологическими процессами. Причем, основное количество СО₂ высвобождается в результате минерализующей деятельности микроорганизмов, разлагающих животные и растительные остатки в почве и водоемах. Началом круговорота углерода является его фиксация зелеными растениями и автотрофными микроорганизмами. Образовавшиеся в процессе фото- и хемосинтеза углеводы частично используются этими же микроорганизмами для получения энергии, при этом СО₂ (продукт реакции окисления) выделяется в атмосферу, либо образовавшиеся углеводы используются микроорганизмами-спутниками также с последующим выделением СО₂. Часть фиксированного растениями СО₂ потребляется человеком и животными, которые выделяют его в процессе дыхания. Разложение углеводов растений микроорганизмами – основной процесс. Таким образом, на Земле СО₂ осуществляет круговорот, в котором микроорганизмы играют роль хранителей равновесия (рисунок Г.6).

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение вызывают различные микроорганизмы. Чаще всего это дрожжи родов Saccharomyces, грибы родов Oidium, Mucor, Monilia. Могут вызывать брожение некоторые бактерии рода Clostridium, а также представители семейства Enterobacteriaceae. Для большинства микроорганизмов спирт является побочным продуктом и только для дрожжей рода Saccharo-myces – это главный конечный продукт брожения.

Дрожжи широко распространены в природе. Они встречаются на поверхности растений, в нектаре цветов, в водоемах, пищеварительном тракте человека и животных, в почве. В процессе эволюции дрожжи хорошо приспособились к обитанию в различных местах, содержащих углеводы. Это все, так называемые, "дикие дрожжи". Культуры дрожжей, применяемых в пищевой промышленности, выделены путем длительной селекции из диких дрожжей.

Основные возбудители спиртового брожения дрожжи-сахаромицеты являются факультативными анаэробами. В анаэробных условиях необходимую для жизнедеятельности энергию они получают путем сбраживания моно- и дисахаридов, а в присутствии кислорода воздуха – за счет аэробного дыхания. Из соединений углерода дрожжи лучше всего используют гексозы. Некоторые виды хорошо растут на средах с пентозами. Полисахариды используются дрожжами только после предварительного гидролиза. В качестве источника азота дрожжи используют обычно соли аммония, аминокислоты, пептоны, реже нитраты и нитриты. Аминокислоты дрожжи синтезируют самостоятельно, поэтому аммонийные соли могут быть единственными источниками азота. Для нормальной жизнедеятельности дрожжи нуждаются в соединениях фосфора (для синтеза протеинов и коферментов), в солях калия и натрия. При недостатке солей натрия задерживается почкование дрожжей, а в отсутствии этих солей дрожжи не растут. Некоторые дрожжи нуждаются в витаминах, другие – способны все необходимые для роста витамины синтезировать сами. Микроэлементы (железо, медь, кобальт) повышают активность ферментов дрожжей.

Оптимальная температура развития большинства видов дрожжей около 28-30⁰С, но температурный диапазон роста довольно широк – от 0⁰С (даже -7⁰С) до 48-50⁰С. Большинство дрожжей растет в границах рН от 3,0 до 8,0, оптимальное значение рН 3,5-6,5.

Первая форма брожения по Нейбергу. Перед началом спиртового брожения олигосахара вначале гидролизуются соответствующими ферментами дрожжей до гексоз. Затем гликолитическим путем осуществляется расщепление гексоз и образование ПВК. Под действием пируватдекарбоксилазы микроорганизмов от ПВК отщепляется СО₂ и образуется ацетальдегид:

ЭМП-путь ПДК

С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃СОСООН → 2 СН₃СНО + 2 СО₂

Ацетальдегид служит конечным акцептором водорода. Он восстанавливается в этанол при участии фермента алкогольдегидрогеназы. Брожение предполагает строгое равновесие процессов окисления и восстановления. Поэтому НАД, восстановленный на одном из этапов брожения, должен окисляться на другом этапе. Окисление НАДН₂ происходит одновременно с восстановлением ацетальдегида в этанол:

АДГ

2 СН₃СНО + 2 НАДН₂ → 2 СН₃СН₂ОН + 2НАД⁺

Таким образом, при спиртовом брожении основным продуктом превращения сахаров является этанол и СО₂. Такой процесс Нейберг назвал первой формой брожения (рисунок Г.1). Суммарная реакция первой формы брожения: С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃СН₂ОН + 2 СО₂

Спиртовое брожение протекает наиболее интенсивно в кислой среде (рН 4,0-4,5), при температуре 30⁰С и концентрации сахара 10-15%. Повышенная концентрация сахара приводит к замедлению, а затем прекращению процесса. Спиртовое брожение является эндогенным процессом. Сахар адсорбируется на поверхности дрожжевой клетки, проникает внутрь и метаболизируется ферментами. Образующиеся при этом спирт и СО₂ диффундируют из клетки в окружающую среду. При увеличении концентрации сахара увеличивается осмотическое давление в дрожжевых клетках, происходит плазмолиз, в результате чего в клетках накапливается спирт и процессы метаболизма нарушаются.

Вторая форма брожения по Нейбергу. Ход брожения может заметно меняться в зависимости от конкретных условий. Если в культуру бродящих дрожжей добавить бисульфит натрия, то он связывает уксусный альдегид. Значит, ацетальдегид блокируется и исключается из последующего процесса:

СН₃СНО + NaHSO₃ → СН₃СНОНSO₃Na

В таких условиях акцептором водорода, оторванного от НАДН₂, является фосфоглицериновый альдегид, который превращается в глицерин-3-фосфат, а затем дефосфорилируется с образованием глицерина. Суммарная реакция второй формы брожения:

С₆Н₁₂О₆ → С₃Н₅(ОН)₃ + СН₃СНОНSO₃Na + СО₂

Суммарное количество синтезированной АТФ при такой форме брожения равно нулю и, следовательно, процесс не может обеспечить рост клеток, но его используют в промышленности для получения глицерина. Глицерин используется в кондитерской, парфюмерной и других отраслях промышленности.

Третья форма брожения по Нейбергу. Сходный вариант спиртового брожения происходит при подщелачивании среды (добавлении NaHСO₃ или Na₂HРO₄). В этих условиях ацетальдегид окисляется НАД-зависимой дегидрогеназой в уксусную кислоту. Образовавшийся на этой стадии НАДН₂ используется для восстановления эквивалентного количества ацетальдегида в этанол. Одновременно НАДН₂, получившийся при окислении 3-фосфорноглицеринового альдегида, используется для восстановления фосфоглицеринового альдегида в глицерин-3-фосфат, который затем превращается в глицерин. Суммарная реакция третьей формы брожения:

2 С₆Н₁₂О₆ + Н₂О → 2 С₃Н₅(ОН)₃ + СН₃СН₂ОН + СН₃СООН + 2СО₂

Такой химизм процесса благоприятен для клеток, поскольку образующаяся уксусная кислота снижает рН среды, после чего вновь возобновляется нормальное спиртовое брожение.

Спиртовое и глицериновое, или глицеринпировиноградное (ГПВК), брожения тесно связаны. В начальной стадии спиртового брожения появляется глицерин. Это объясняется наличием в начале брожения своеобразного периода индукции, т.е. времени, необходимого для накопления ацетальдегида. Таким образом, в начале преобладает ГПВК брожение. Но даже в период бурного спиртового брожения, наряду со спиртом, образуются другие продукты.

Эффект Пастера. В присутствии молекулярного кислорода (в аэробных условиях) дрожжи быстро переключаются с брожения на аэробное дыхание. При этом ПВК, образующаяся из глюкозы и других субстратов, окисляется через цикл Кребса до СО₂ и Н₂О. Кроме того, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) обеспечивает клетки рядом метаболитов, необходимых для дальнейших биосинтетических реакций. В энергетическом отношении дыхание более выгодно, чем брожение. Поэтому в аэробных условиях дрожжи растут лучше и образуют большую биомассу.

Подавление брожения в аэробных условиях носит название эффекта Пастера, так как Пастер первым установил, что молекулярный кислород уменьшает образование этилового спирта и СО₂, но способствует активному размножению дрожжевых клеток. Этот эффект используется в дрожжевом производстве, где необходимо, чтобы сахар потреблялся на размножение дрожжей, для накопления их биомассы.

Эффект Крэбтри. Спиртовое брожение может происходить в условиях значительной аэрации при высоком содержании глюкозы в среде. Подавление аэробного дыхания при высокой концентрации глюкозы (высокой скорости ее усвоения) называется эффектом Крэбтри, или катаболитной репрессией. Этот эффект не наблюдается при выращивании дрожжей на средах, содержащих менее усвояемые сахара. Катаболитная репрессия аэробного дыхания не только снижает получение дрожжами энергии, но подавляет биосинтез промежуточных продуктов ЦТК и глиоксилатного цикла. В таких условиях необходимые для биосинтеза кислоты ЦТК образуются путем карбоксилирования ПВК при участии фермента пируваткарбоксилазы:

СН₃СОСООН + АТФ + СО₂ + Н₂О → СОСООНСН₂СООН + АДФ + Ф_н

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение – это анаэробное превращение углеводов с образованием молочной кислоты. Существуют два вида молочнокислого брожения - гомоферментативное и гетероферментативное (рисунок Г.2). Вызываются эти виды брожения соответственно гомоферментативными и гетероферментативными молочнокислыми бактериями (МКБ).

Гомоферментативное молочнокислое брожение. Сначала расщепление глюкозы идет по ЭМП пути (гликолиз). Гомоферментативные МКБ синтезируют фермент лактатдегидрогеназуи используют ПВК в качестве акцептора водорода, восстанавливая ее до молочной кислоты:

ЭМП-путь ЛДГ

С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃СОСООН + 2 НАДН₂ → 2 СН₃СНОНСООН + НАД⁺

Таким образом, при гомоферментативном молочнокислом брожении основным продуктом превращения сахаров является молочная кислота: С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃СНОНСООН

Гетероферментативное молочнокислое брожение. Гетероферментативные МКБ не имеют альдолазы и триозофосфатизомеразы – основных ферментов, необходимых для расщепления углеводов по ЭМП-пути. Поэтому эти микроорганизмы метаболизируют глюкозу по ГМФ-пути. Образовавшийся в ходе этого процесса рибулезо-6-фосфат расщепляется под действием синтезируемого бактериями фермента пентозофосфокетолазы на фосфоглицериновыфй альдегид и ацетилфосфат. Фосфоглицериновый альдегид претерпевает ряд ферментативных превращений, идентичных реакциям гликолиза, в результате чего образуется пируват. Восстановление пирувата в молочную кислоту происходит, как и при гомоферментативном молочнокислом брожении при участии лактатдегидрогеназы. Ацетилфосфат также восстанавливается оторванным от НАДН₂ водородом до ацетальдегида, который акцептирует еще один водород с НАДН₂ и превращается в этанол. Ацетилфосфаттакже может окисляться до уксусной кислоты. При этом энергия макроэргической связи ацетилфосфата используется на синтез одной молекулы АТФ.

Таким образом, при гетероферментативном молочнокислом брожении одновременно с образованием молочной кислоты происходит накопление этилового спирта, СО₂, уксусной кислоты и других продуктов. Это зависит от вида микроорганизма, условий культивирования (рН, температура, степень аэрации) и других факторов. Например:

2 С₆Н₁₂О₆→СН₃СНОНСООН+СООНСН₂СН₂СООН+СН₃СООН+СН₃СН₂ОН+Н₂

Молочнокислые бактерии – это бактерии, способные образовывать в качестве главного продукта брожения молочную кислоту. В группу МКБ объединены различные по систематическому положению микроорганизмы.

Молочнокислые кокки – это представители семейства Streptococcaceae родов Lactococcus (до 1986 г. род Streptococcus), Pediococcus, Aerococcus, Leuconostoc. Представители первых трех родов относятся к гомоферментативным МКБ, последнего – к гетероферментативным МКБ. Это грамположительные неподвижные или слабо подвижные клетки сферической или слегка удлиненной формы, встречаются в парах или цепочках, делящихся в одной плоскости. Факультативные анаэробы, каталазу не образуют, цитохромная система у них отсутствует. Брожение для этих микроорганизмов является единственным источником энергии. Мезофилы (оптимальная температура их развития 30⁰С).

Молочнокислые палочки– это представители семейства. Lactobacillaceae, рода Lacto-bacillus, насчитывающего около 75 видов. Это полиморфные палочки (длинные, короткие, прямые или изогнутые, встречающиеся поодиночке или парами), большинство их неподвижные (немногие подвижные), грамположительные (с возрастом переходят в грамотрицательные), споры не образуют. Каталазу не образуют, факультативные анаэробы или микроаэрофилы. Оптимальная температура их развития 30-40⁰С, рН – 5,8-5,5 и ниже. Вызывают гомо- и гетероферментативное молочнокислое брожение. Это сапрофиты (за исключением отдельных видов, играющих определенную роль в кариесе зубов).

Из неспорообразующих микроорганизмов МКБ являются наиболее термоустойчивыми. Некоторые штаммы остаются жизнеспособными при нагревании при 85⁰С в течение 10 мин.

МКБ широко распространены в природе. Они встречаются на различных растениях, в почве (в верхних слоях), в ризосфере растений, в желудочном тракте теплокровных животных и человека, в силосе, муке, овощах, сыром молоке, молочных продуктах, различных квашенных продуктах. МКБ широко используют в промышленности. Для изготовления кисломолочных продуктов (кефир, простокваша, йогурт, ряженка), масла, сыра и других используются чистые культуры МКБ.

Кефирные грибки – это симбиотические образования. Кефирные грибки имеют неправильную форму, сильно складчатую или бугроватую поверхность. Это образования белого цвета размером от 1-2 до 3-6 мм, которые ведут себя биологически как живой организм (растут, делятся, передают свои свойства и структуру последующим поколениям). Строму (тело) грибка составляют тесные переплетения палочковидных нитей, которые удерживают остальные микроорганизмы – молочнокислые кокки, дрожжи, уксуснокислые бактерии. Консистенция грибков упругая, мягкохрящевая. Кефирные грибки используют для приготовления кефира (кисломолочного напитка), при внесении кефирных грибков в молоко в первую очередь развиваются молочнокислые кокки, затем молочнокислые палочки, дрожжи и только потом уксуснокислые бактерии.

МКБ являются антагонистами гнилостных микроорганизмов. И.И.Мечников, изучая болгарских долгожителей, употреблявших в пищу кисломолочные продукты на основе болгарской палочки, разработал теорию борьбы со старением организма. Развиваясь в кишечнике, гнилостные микроорганизмы вызывают образование продуктов разложения белков (индол, скатол, фенол и другие), которые отравляют организм. МКБ образуют продукты, подавляющие развитие этой гнилостной микрофлоры. Лактобациллы синтезируют незаменимые для человека аминокислоты и витамины. Они используются в приготовлении лекарств (например, лактобациллина). На основе живых культур лактобактерий изготовлены многочисленные пробиотические препараты. Большинство из них предназначено для коррекции микрофлоры организма человека.

Пропионовокислое брожение – это биохимический процесс превращения микроорганизмами сахаров, молочной кислоты и ее солей в пропионовую кислоту. Кроме основного продукта (пропионовой кислоты) образуется уксусная кислота, диоксид углерода и вода:

3С₆Н₁₂О₆ → 4СН₃СН₂СООН + 2СН₃СООН + СО₂ + 2Н₂О + Эн.

Химизм этого процесса подобен молочнокислому брожению, но образующаяся в этом брожении молочная кислота является не конечным, а промежуточным продуктом, который превращается в пропионовую и уксусную кислоты:

3СН₃СНОНСООН→ 2СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + СО₂ + 2Н₂О + Эн.

Возбудители брожения – пропионовокислые бактерии (ПКБ) рода Propionibacterium. Это короткие неподвижные грамположительные палочки (могут быть слегка ветвящимися), спор не образуют. Оптимальная температура их развития 30-35⁰С. Это факультативные анаэробы, образуют каталазу. ПКБ бактерии близки к МКБ и часто совместно с ними развиваются. МКБ могут стимулировать и ингибировать действие пропионовокислых бактерий. ПКБ чувствительны к низину. Ценное свойство ПКБ – способность к биосинтезу витамина В₁₂ (цианкобаламина). Благодаря этому свойству, ПКБ выращивают в производственных условиях на молочной сыворотке.

ПКБ обитают в рубце жвачных животных (участвуют в образовании жирных кислот), встречаются в кишках, почве, молочных продуктах. ПКБ играют важную роль в созревании сыров. Образующиеся в результате этого брожения продукты придают сырам острый вкус, создают типичный рисунок равномерно расположенных в сырной массе пустых глазков. ПКБ используются при силосовании кормов.

Маслянокислое брожение

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 брожениепредставляет 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.

Уксуснокислое брожение

Это окисление спирта в уксусную кислоту с помощью уксуснокислых бактерий (УКБ):

СН₃СН₂ОН + О₂ → СН₃СООН+ 2Н₂О + Эн. (487 кДж)

УКБ – это представители семейства Acetobacteriaceae, родов Acetobacter и Gluconobacter. Они представляют собой полиморфные грамотрицательные палочки (длинные, короткие, ветвящиеся), подвижные и неподвижные, перитрихи или с полярно расположенными жгутиками, спор не образуют, мезофилы, строгие аэробы (развиваются только на поверхности сред). Хемоорганотрофы, получают энергию за счет окисления спирта до уксусного альдегида, а затем до уксусной кислоты, или получают энергию за счет окисления различных сахаров. Максимальная скорость УКБ роста при рН 5,4-5,8., интенсивность кислотообразования является штаммовым признаком и колеблется в довольно широких пределах. УКБ распространены в природе. Они встречаются на растениях, плодах, в пыли, воде, почве. Наиболее распространены Acetobacter acet, культурные штаммы кльлоых используют в производстве пищевого уксуса. Уксуснокислое брожение является вредителем ряда производств (спиртового, пивоваренного), так как приводит к окислению и порче пива, вина, кваса, бражки. Уксуснокислое брожение наблюдается в слабокислых пастеризованных маринадах при хранении их в герметичной таре.

Некоторые виды УКБ могут вызывать и другие типы брожений, в результате которых соединения, которые трудно получить химическим путем. В промышленности применяется Gluonobacter suboxidans – возбудитель сорбозного брожения, при котором d-сорбит превращается в l-сорбозу. Сорбит получают из декстрозы химическим путем. Затем G.subjxidans осуществляют биологическое дегидрирование субстрата с образованием сорбозы, которая в дальнейшем используется для получения витамина С. Бактерии рода Gluconobacter используются также в производстве для получения глюконовой кислоты.

Образование органических кислот плесневыми грибами

Лимоннокислое брожение -это окисление сахаров с образованием лимонной кислоты:

2С₆Н₁₂О₆ + 3О₂ → 2С₆Н₈О₇ + 4Н₂О + Эн.

Брожение вызывается многими плесневыми грибами родов Aspergillus и Penicillium. Основной продуцент лимонной кислоты Aspergillus niger.

Лимонная кислота используется в пищевой консервной, текстильной промышленности, медицине (консервант крови). Долгое время лимонную кислоту получали из лимонов, где она составляет 9% сухой массы. Однако такой способ не мог бы обеспечить потребность в лимонной кислоте. Наиболее экономичный и рациональный способ получения лимонной кислоты из глюкозы при помощи плесневого гриба A.niger.Грибы рода Aspergillus размножаются преимущественно спорами. Попав на поверхность питательной среды, споры набухают и прорастают, образуя гифы. Клетки гиф делятся, разрастаются и образуют войлокообразную грибницу или мицелий. Рост мицелия нормально протекает при 100%-ной влажности, оптимальной температуре 34-37⁰С, аэрировании. Процесс получения лимонной кислоты может осуществляться двумя способами – поверхностным и глубинным. Под действием плесневого гриба сахар бродильного раствора превращается в лимонную кислоту. При 32⁰С брожение идет 14-16 суток, на один м² грибной пленки образуется 500-600 г лимонной кислоты.

Фумаровокислое брожение.Фумаровая кислота – это транс-изомер этилендикарбоновой кислоты. Она образуется в результате реакций ЦТК. Суммарное уравнение фумаровокислого брожения:

С₆Н₁₂О₆ + 3О₂ → С₄Н₄О₄ + 4Н₂О + 2СО₂ + Эн.

Фумаровокислое брожение вызывается грибами родов Rhizopus, Mucor. Наибольший выход фумаровой кислоты получен при использовании в качестве продуцента Rhizopus delemar. В качестве источника углерода используют глюкозу в концентрации 5-10% или крахмалосодержащие материалы. Ферментация осуществляется в условиях интенсивной аэрации и нейтрализации среды CaCО₃ или NaOH. Процесс может производиться как методом поверхностного, так и методом глубинного культивирования продуцента. Фумаровая кислота в виде магниевых и натриевых солей используется в пищевой промышленности как заменитель лимонной кислоты для изготовления безалкогольных напитков, а также в лакокрасочной промышленности.

Щавелевокислое брожение.Представители родов Aspergillus, Penicillium, Mucor в зависимости от состава среды и ее кислотности могут накапливать вместо лимонной кислоты щавелевую. Щавелевокислое брожение наблюдается при наличии в среде свободных оснований, а также в средах с пептоном. В такой среде под влиянием плесневых грибов накапливается значительное количество аммиака, создающего щелочные условия. В кислой среде щавелевая кислота грибами не образуется. Суммарное уравнение щавелевокислого брожения:

2С₆Н₁₂О₆ + 9О₂ → 6СООНСООН + 6Н₂О + Эн.