Превращение органических веществ, не содержащих азот.

Вопросы:

1.Спиртовое и молочнокислое брожения. пропионовокислое, маслянокислое брожения.

2.Ацетоно-бутиловое, ацетоно-этиловое брожения, брожение клетчатки и пектиновых веществ.

3.Процессы окисления.

У микроорганизмов различают 2 основные формы катаболизма: брожение и аэробное дыхание. Все эти процессы происходят под действием ферментов микроорганизмов. Причем у микроорганизмов различают внутриклеточные ферменты (эндоферменты), которые участвуют в метаболизме внутри клетки и содержатся в ней; и внеклеточные ферменты (экзоферменты), которые выделяются клетками микроорганизмов в окружающую среду. Экзоферменты в основном относятся к классу гидролаз и разлагают соединения большой молекулярной массы, которые не могут проникнуть в клетку микроорганизма. Продукты разложения легко проникают в клетку и используются в качестве питательных веществ. В разнообразии ферментов, выделяемых в окружающую среду, и заключается роль микрофлоры в круговороте веществ в природе.

1. Процессы брожения.

Брожение - анаэробное разложение углеводов на продукты, которые далее не разлагаются без участия молекулярного кислорода. У различных микроорганизмов продукты разложения различны и зависят от набора ферментов и внешних условий.

Спиртовое брожение. Основной возбудитель спиртового брожения – дрожжи, применяемые в хлебопечении, при получении спирта, вина, пива, кваса и некоторых молочнокислых продуктов (кефир, кумыс). В бродильных производствах используют представителей родов

Saccharomyces и Scizosaccharomyces. В небольших количествах спирт может накапливаться в средах, богатых углеводами, при развитии в них некоторых видов грибов родов Aspergillus, Mucor, Fusarium, а также бактерий родов Sarcina и Zimomonas.

При доступе кислорода дрожжи, вызывающие брожение, начинают окислять углеводы, то есть переходят к аэробному дыханию с образованием углекислого газа и воды. Аэробное дыхание дает больше энергии, чем брожение. Коэффициент использования углеводов повышается и поэтому при производстве дрожжей для получения их большей массы среду, в которой происходит их размножение, аэрируют. Сбраживание углеводов дрожжами с образованием этилового спирта и углекислого газа идет по гликолитическому пути (путь Эмбдона – Мейергофа - Парнаса). Превращение происходит в результате сложных ферментативных реакций, осуществляемых через ряд промежуточных стадий.

СН₂ОН СН₂ОР О

Н О Н Н О Н СН₂ОР СН₂ОН

Н + АТФ Н изомераза

ОН Н ОН Н Н ОН

ОН ОН ОН ОН Н ОН

Н ОН Н ОН ОН Н

глюкозо–6–фосфат фруктозо-6-фосфат

О

СН₂ОР СН₂ОР СН₂ОР СН₂ОР

+ АТФ Н ОН альдалаза

НСОН + С=О

Н ОН

ОН Н С=О СН₂ОН

Н

фруктозо-1,6-дифосфат триозы

Эти триозы под действием триозофосфатизомеразы легко переходят друг в друга, и дальнейшему превращению подвергается фосфоглицериновый альдегид.

СН₂ОР СН₂ОР СН₂ОР СН₂ОН

НS-фермент + АДФ изомераза

НСОН + АТФ СНОН СНОН СН₂ОР

НС=О РОС=О НОС=О НОС=О

1,3-дифосфоглицериновая 3-фосфоглицериновая 2-фосфоглицериновая

кислота кислота кислота

енолаза + АДФ фосфотрансфераза СН₃

СН₂=СОР СН₂=СОН

- Н₂О С=О

СООН СООН

СООН

фосфоенолпируват енолпируват пируват

декарбоксилаза НАД× Н₂

СН₃СОН СН₃СН₂ОН

- СО₂

ацетальдегид этанол

Образовавшийся пируват под действием карбоксилазы превращается в уксусный альдегид, выделяется углекислый газ. Затем под действием алкогольдегидрогеназы (НАД× Н₂) образуется этиловый спирт.

В результате спиртового брожения в качестве побочных продуктов может образоваться глицерин, который идет на образование уксусной, молочной, янтарной, пропионовой кислот, диацетила, различных альдегидов и сложных эфиров. Кроме вторичных продуктов образуются побочные продукты: высшие спирты, называемые сивушными маслами (изоамиловый, бутиловый, пропиловый спирты и некоторые ароматические спирты). Эти вещества образуются из соответствующих кетокислот, синтезирующихся в процессе метаболизма углеводов. Спиртовое брожение протекает при кислой реакции среды рН 4-5. В щелочных условиях рН 8 один из основных продуктов брожения – глицерин.

Наибольшее практическое значение в спиртовом брожении имеет вид дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи сбраживают не все сахара, а чаще всего гексозы; пентозы сбраживает ограниченное число видов. Дисахариды также сбраживают некоторые виды микроорганизмов, причем должен быть строго определенный набор сахаров. Перед сбраживанием полисахариды под действием ферментов дрожжей распадаются на моносахариды.

Температура, при которой дрожжи могут развиваться, колеблется от 0^оС до 50^оС, но оптимальная температура для роста большинства видов 28 – 30^оС. В микробиологии виды делят на штаммы, а штаммы на расы. Среди штаммов различают расы верхового и низового брожения.

Дрожжи верхового брожения используют для брожения при 14 – 25^оС, в этих условиях обильно выделяется углекислый газ, наблюдается пенообразование, клетки микроорганизмов поднимаются на поверхность жидкости. Эти дрожжи используют в хлебопечении, спиртовой промышленности. Дрожжи низового брожения применяют в производстве при 0 – 10^оС, брожение происходит спокойно, и клетки остаются на дне сосуда. Такие расы используют в пивоварении и виноделии (Saccharomyces vini).

В промышленности используют чистые культуры дрожжей, которые обеспечивают наиболее правильное течение процесса и получение качественной продукции. Среди дрожжей имеются вредные для человека виды, некоторые из них способны вызывать окисление углеводов, есть вредители пищевой продукции и вин.

Молочнокислое брожение. Это брожение вызывает специфическая группа молочнокислых бактерий, в результате происходит распад глюкозы до молочной кислоты. Известно 3 типа брожений, вызываемых молочнокислыми бактериями.

1) гомоферментативное брожение

С₆Н₁₂О₆ 2 СН₃СНОНСООН

Лактат

В основе гомоферментативного брожения лежат реакции гликолиза, образующийся пируват восстанавливается до лактата водородом под действием фермента лактатдегидрогеназы.

_{2 НАД× Н2}

СН₃СОСООН 2 СН₃СНОНСООН

2) гетероферментативное брожение

С₆Н₁₂О₆ СН₃СНОНСООН + С₂Н₅ОН + 2 СО₂

лактат

У гетероферментативных молочнокислых бактерий отсутствуют главные ферменты гликолиза, такие как триозофосфатизомераза и фруктозодифосфатальдолаза. Поэтому начальное превращение глюкозы идет по пентозофосфатному пути до образования рибулозо-5-фосфата, который затем превращается в ксилулозо-5-фосфат, а тот расщепляется с образованием фосфоглицеринового альдегида и ацетилфосфата. Фосфоглицериновый альдегид превращается в пируват, затем в лактат, как в процессе гликолиза. Из ацетилфосфата образуется этиловый спирт и уксусная кислота.

3) бифидоброжение

2 С₆Н₁₂О₆ 3 СН₃СООН + 2 СН₃СНОНСООН

ацетат лактат

Бифидоброжение осуществляется по пентозофосфатному пути с конечными продуктами в виде уксусной кислоты и лактата. Пентозофосфатный путь известен как путь Энтнера – Дудорова. Иногда в сбраживаемых средах накапливается небольшое количество диацетила и ацетоина (вещества, обладающие приятным ароматом, который передается продукту).

Оптимальными параметрами для роста молочнокислых бактерий являются рН 5,5-8,8. Палочковидные формы развиваются в более низких значениях рН, чем кокковидные. Благоприятная температура от 7^оС до 42^оС, но температурный оптимум роста от 30^оС до 40^оС. молочнокислые бактерии не образуют спор, поэтому при температуре выше предела погибают.

Кроме глюкозы молочнокислые бактерии сбраживают фруктозу, лактозу, сахарозу, мальтозу и некоторые пентозы. Молочнокислые бактерии могут быть 2-х видов: молочнокислые стрептококки и молочнокислые палочки. Молочнокислые бактерии применяются при изготовлении сырокопченых колбас, в квашении овощей.

Пропионовокислое брожение. Возбудителями этого вида брожения являются пропионовокислые бактерии, представляющие собой палочки, расположенные по одиночке, парами, или цепочками. Пропионовокислые бактерии являются анаэробами. Продуктами брожения углеводов могут быть различные комбинации пропионовой и уксусной кислот и небольшие количества изовалериановой, муравьиной, янтарной кислот или молочной кислоты и углекислого газа.

Сбраживание углеводов пропионовокислыми бактериями происходит по гликолитическому пути до образования пирувата, в зависимости от условий пируват может окисляться, карбоксилироваться или восстанавливаться. Суммарное уравнение:

3 С₆Н₁₂О₆ 4 СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + 2 СО₂ + 2 Н₂О

глюкоза пропионовая уксусная

кислота кислота

3 СН₃СНОНСООН 2 СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + СО₂ + Н₂О

лактат

Для роста пропионовокислых бактерий температурный оптимум 30 – 37^оС, реакция среды рН = 7. Пропионовокислые бактерии обнаруживаются в пищеварительном тракте жвачных животных, их используют в производстве твердых сычужных сыров. По окончании молочнокислого брожения лактозы в сыре наступает стадия пропионовокислого брожения, которое сопровождается сбраживанием молочной кислоты и других веществ. Углекислый газ обуславливает появление рисунка сыра (глазки).

Процессы брожения, вызываемые бактериями рода Clostridium и Enterobacterium. Бактерии рода Clostridium могут сбраживать те или иные органические соединения, в зависимости от вида их делят на несколько групп.

1) Сахаролитические виды Clostridium сбраживают углеводы, крахмал, пектин, в эту группу бактерий входят микроорганизмы, вызывающие маслянокислое, ацетонобутиловое брожение.

Маслянокислое брожение. Источником углерода для маслянокислых бактерий служат моносахариды, дисахариды, крахмал, декстрины, молочная кислота, пируват, глицерин. Маслянокислое брожение начинается со сбраживания сахара по гликолитическому пути, затем при участии ферментов синтезируется масляная кислота; как побочный продукт – уксусная кислота, происходит восстановление некоторых соединений. В результате брожения образуется в основном углекислый газ, водород, масляная и уксусная кислоты.

4 С₆Н₁₂О₆ 3 СН₃СН₂СН₂СООН + 2 СН₃СООН + 8 СО₂ + 8 Н₂

глюкоза масляная кислота уксусная

кислота

Маслянокислые бактерии являются строгими анаэробами, среди них есть патогенные (Clostridium botulinum, Clostridium perfringers), сапрофитные формы. Маслянокислое брожение не всегда желательный процесс, например, в квашеных продуктах при развитии маслянокислых бактерий разлагается белковая часть, масляная кислота придает продуктам неприятный запах.

2. Ацетонобутиловое брожение.Химизм этого вида брожения сходен с маслянокислым, в результате брожения образуется бутиловый спирт, ацетон, масляная, уксусная кислоты, водород и углекислый газ. Ацетонобутиловые бактерии более требовательны к среде по сравнению с маслянокислыми, они нуждаются в витаминах и аминокислотах.

2) Протеолитические виды Clostridium выделяют в окружающую среду протеолитические ферменты, которые гидролизуют белки и затем сбраживают аминокислоты. Обычно образуются аммиак, углекислый газ, водород, жирные кислоты и большое количество летучих соединений с неприятным запахом. Многие виды бактерий этой группы способны и к сбраживанию углеводов. Clostridium botulinum, Clostridium perfringers относятся ко второй группе. Это процессы гниения.

3) Виды, сбраживающие азотосодержащие циклические соединения (пурины и пиримидины), образуются аммиак, углекислый газ, уксусная кислота.

4) Виды, сбраживающие смесь этилового спирта с уксусной кислотой, образуются масляная, капроновая кислоты и небольшие количества водорода.

Бактерии рода Enterobacterium (энтеробактерии) – представители кишечной микрофлоры, могут осуществлять смешанное – кислое и бутандиоловое – брожение, при котором образуются некоторые органические кислоты, спирты, углекислый газ и водород. Эти бактерии являются факультативными анаэробами. Превращение углеводов у них происходит по гликолитическому пути. К энтеробактериям относятся следующие роды:

1) Escherichia coli – обитает в кишечнике человека и животных, может существовать в воде и почве, ряде пищевых продуктов. Обнаружение ее служит показателем загрязнения среды.

2) Salmonella – представитель кишечной микрофлоры, возбудитель кишечных инфекций и пищевых отравлений.

3) Shigella – возбудитель кишечных инфекций.

К энтеробактериям также относятся Proteus, Enterobacter и другие организации.

Брожение клетчатки и пектиновых веществ. Брожение клетчатки заключается в разрушении клетчатки в анаэробных условиях под влиянием целлюлазы до целлобиозы, которая затем переходит в глюкозу, а глюкоза сбраживается с образованием масляной, уксусной кислот, углекислого газа, водорода, метана. Один из типичных представителей, сбраживающих клетчатку, - это бактерии Омелянского. Брожение пектиновых веществ протекает под действием протопектиназы, пектиназы, пектазы. Сбраживание происходит с образованием уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа, водорода.

Процессы окисления.

Окисление происходит в условиях присутствия кислорода. Эти процессы связаны с дыханием микроорганизмов.

Окисление углеводородов. Углеводороды – стойкие соединения и окисляются лишь некоторыми микроорганизмами. Метановые бактерии окисляют метан:

СН₄ + 2 О₂ СО₂ + 2 Н₂О

Некоторые бактерии аналогично окисляют углеводороды жирного ряда. Углеводороды, усваивающие микроорганизмы, последнее время используют для очистки водоемов от загрязнения нефтью и продуктов ее переработки.

Окисление жиров и высокомолекулярных жирных кислот. Эти соединения разлагаются бактериями, актиномицетами и другими грибами. Наиболее энергично разлагают жиры пигментные бактерии: Bacterium prodigiozum (красный пигмент), Pseudomonas fluorescens (зеленый пигмент). Они устойчивы к низким температурам, способны расщеплять жир на глицерин и жирные кислоты, жирные кислоты затем окисляют до углекислого газа и воды. В разложении жира и жирных кислот принимают участие также плесневые грибы из рода Aspergillus и Penicillium.

Окисление этилового спирта в уксусную кислоту (уксуснокислое брожение). В этом процессе принимают участие уксуснокислые бактерии, которые являются строгими аэробами и могут развиваться только на поверхности среды. Они, как правило, образуют пленку на поверхности; отличаются высокой устойчивостью к кислотам; оптимум рН 5- 6, но растут и на более кислых средах. Эти бактерии широко распространены в природе и постоянно встречаются на поверхности плодов, ягод, поэтому легко переходят в вино, пиво, квас и вызывают их скисание. Характерной особенностью уксуснокислых бактерий является то, что они превращают этиловый спирт в уксусную кислоту.

СН₃СН₂ОН + О₂ СН₃СООН + Н₂О

При производстве напитков и вин они наносят вред, так как они способствуют скисанию. Но в тоже время бактерии используются в производстве пищевого уксуса из вина и спирта. Эти же бактерии могут вызвать окисление сорбита, манита, глюкозы до глюконовой кислоты, окисление глицерина до диоксиацетона. Эти бактерии используются при производстве аскорбиновой кислоты и в ряде других производств.

Окисление углеводов плесневыми грибами. При этом образуются уксусная, молочная, лимонная, яблочная и другие органические кислоты, которые далее под действием плесневых грибов окисляются до углекислого газа и воды. Большое значение имеет использование плесневого гриба Aspergillus niger при производстве лимонной кислоты, он превращает около 60% глюкозы в лимонную кислоту. Процесс превращения углеводов в лимонную кислоту называется лимоннокислым брожением.

Окисление клетчатки и близких к ней соединений. Чаще всего этот процесс происходит в почве, возбудителями являются бактерии, актиномицеты и плесневые грибы. Первоначально клетчатка гидролизуется, затем окисляется с образованием высокомолекулярных органических кислот и простых оксикислот. В качестве промежуточных продуктов образуются растворимые сахара. Эти же микроорганизмы окисляют пентозаны, пектиновые вещества, лигнин до углекислого газа и воды.

В рубце жвачных животных обитают специфические облигатные анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Они вызывают разложение целлюлозы до глюкозы и сбраживание ее с образованием органических кислот, спиртов, углекислого газа и воды.

ЛЕКЦИЯ 7

Превращение азотсодержащих соединений, соединений серы, фосфора и железа.

Вопросы:

1.Процессы аммонификации.

2.Процессы нитрификации и денитрификации.

3.Процессы фиксации атмосферного азота.

4.Превращение соединений серы, фосфора и железа