Микробиология ( от греч. Micros - малый, bios - жизнь, logos - учение) - это наука, изучающая строение, функции, химическую деятельность, распространение, условия развития, роль и значение в жизни человека весьма малых организмов, большинство которых невидимо невооруженным глазом.

Мир микроорганизмов многочислен и разнообразен. Они повсеместно распространены в природе: в почве, водоемах, воздухе, на продуктах питания и на всех предметах, окружающих человека. Они находятся и в нем самом, а также на животных и растениях.

Микроорганизмы способны выполнять колоссальную по значимости химическую работу: разлагают растительные и животные остатки на поверхности планеты, используются в технологиях производства пищевых продуктов и различных биологически активных соединениях для отраслей народного хозяйства.

Однако многие микроорганизмы наносят большой ущерб народному хозяйству, вызывая порчу продуктов сельскохозяйственного и промышленного производства. Ежегодно погибает более 30% продукции растениеводства, велики потери и ряда других продуктов из-за микробиальных поражений. Среди микроорганизмов есть особая группа - патогенные (болезнетворные) микробы, которые вызывают заболевания человека, животных и растений. Многие патогенные микроорганизмы размножаются или довольно долго сохраняются в живом состоянии на пищевых продуктах. Попадая в организм человека, они могут вызвать так называемые пищевые инфекционные заболевания и отравления.

На современном этапе развития народного хозяйства страны, в условиях ускорения научно-технического процесса еще в большей степени растет роль микробиологической науки. В настоящее время микробиология дифференцирована на ряд самостоятельных дисциплин: общую, медицинскую, сельскохозяйственную, ветеринарную, техническую (промышленную) и др. одним из разделов технической микробиологии является пищевая микробиология.

Без знания микрофлоры пищевых продуктов, специфических свойств микроорганизмов, их окружающей среды нельзя успешно выполнять задачи, поставленные перед наукой и практикой в области контроля качества, производства, хранения, реализации пищевых продуктов и максимального сокращения их потерь.

Микроорганизмы обладают высокой биохимической активностью. В процессе обмена веществ они осуществляют самые разнообразные химические реакции, в результате которых образуются ценные вещества: спирты, кислоты, эфиры, витамины и другие. Эти продукты жизнедеятельности микробов используются в медицине, промышленности, быту. Многие биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами, применяются в пищевой и легкой промышленности; велика их роль и в круговороте веществ в природе.

Ниже рассматриваются преимущественно микробиологические процессы, используемые при переработке пищевого сырья или обусловливающие порчу пищевых продуктов.

Анаэробные процессы

1. Спиртовое брожение

Спиртовым брожением называется процесс превращения микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ:

Возбудители спиртового брожения являются дрожжи. Спиртовое брожение могут вызвать некоторые мицелиальные грибы, однако при этом образуется значительно меньше спирта(5-7%). Брожение с образованием спирта и углекислого газа вызывают и некоторые бактерии, но по количественному соотношению между конечными и побочными продуктами, а также характеру побочных продуктов бактериальное спиртовое брожение отличается от брожения, вызываемого дрожжами.

Связь спиртового брожения с жизнедеятельностью дрожжей была отмечена еще в начале XIX в., но окончательно установлена Л.Пастером в 1857г.

Большое значения в изучении спиртового брожения имело открытие "бесклеточного" брожения – соком из дрожжей, не содержащим дрожжевых клеток. На основании этого был сделан вывод, что в дрожжевом соке содержится какое-то активное вещество – фермент, которое еще Бухнер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования показали, что зимаза является комплексом ферментов.

· Химизм спиртового брожения. Приведенное выше уравнение спиртового брожения выражает его лишь в общем суммарном виде. Спиртовое брожение для дрожжей является процессом получения энергии в анаэробных условиях.

Любое брожение протекает как бы в две стадии: первая - окислительная – включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образование двух молекул восстановленного НАД - промежуточного акцептора водорода:

А во второй стадии – восстановительной - передает водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения.

Дрожжи обладают ферментом пируватдекарбоксилазой, который катализирует реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты с отщеплением и образованием уксусного альдегида:

Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с , он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а регенерируется (окисляется) в НАД:

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт завершает спиртовое брожение.

Наряду с главными продуктами брожения в большом количестве образуются побочные продукты: глицерин(1-3%), уксусный альдегид, сивушные масла – смесь высших спиртов(изоамилового, изобутилового, амилового и др.) и некоторые другие вещества.

Образование дрожжами высших спиртов связано с азотным и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения.

· Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: химический состав среды, ее концентрация и кислотность, температура и др.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов – сахарозу и мальтозу.

Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей то 10 до 15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения снижается, а при 30-35% брожение обычно почти прекращается.

Хорошим источником азота являются аммонийные соли; используются также аминокислоты и пептиды.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре около 30°С, а при 40-45°С оно прекращается, так как дрожжи отмирают. При снижении температуры брожение замедляется, но не прекращается.

По характеру брожения дрожжи делят на верховые и низовые.

Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28°С. На поверхности бродящей жидкости образуется пена, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно рыхлым слоем. Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает спокойнее и медленнее, особенно при сравнительно низких температурах – 4-10°С. Газ выделяется постепенно, пены меньше, дрожжи не выносятся на поверхность и быстро оседают на дно. Спиртовое брожение протекает нормально в анаэробных условиях, при этом дрожжи почти не размножаются. В среде, богатой кислородом, дрожжи ведут себя как аэробные организмы и активно размножаются.

2. Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение – превращение сахара молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. Наряду с этим основным продуктом брожения в большем или меньшем количестве образуются побочные продукты.

По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные.

Гомоферментативные бактерии образуют в основном молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Этот тип можно представить следующим уравнением:

Гетероферментативные бактерии – менее активные кислотообразователи. Наряду с молочной кислотой они образуют значительное количество других веществ – этиловый спирт, углекислый газ, некоторые еще уксусную кислоту, есть и такие, которые, кроме того, продуцируют четырехуглеродные соединения – ацетоин и диацетил, обладающий своеобразным приятным запахом.

· Химизм молочнокислого брожения. Процесс превращения глюкозы до пировиноградной кислоты у гомоферментативных молочнокислых бактерий протекает по гликолитическому пути. Далее, ввиду отсутствия у этих бактерий фермента пируватдекарбоксилазы, пировиноградная кислота не подвергается расщеплению.

Пировиноградная кислота при участии фермента лактикодегидрогеназы восстанавливается в молочную, а окисляется в НАД:

Превращение глюкозы гетероферментативными бактериями происходит по-иному, что обуславливается своеобразием комплекса ферментов у этих бактерий. Из-за отсутствия у них фермента альдолазы изменяется начальный путь превращения глюкозы. После фосфорилирования гексоза окисляется и декарбоксилируется, превращаясь в пентозофосфат. Последний расщепляется на фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат. Фосфоглицериновый альдегид превращается в пировиноградную кислоту, которая затем восстанавливается в молочную. Ацетилфосфат дефосфорилируется и превращается в уксусную кислоту или восстанавливается в этиловый спирт. Таким образом, конечным акцептором водорода в этом типе брожения служат пировиноградная кислота и уксусный альдегид.

· Возбудители молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии имеют круглую, слегка овальную или палочковидную форму. Диаметр коков варьируется у отдельных видов от 0,5 до 1,5 мкм. Кокки располагаются попарно или цепочками (стрептококки) различной длины. Размеры палочковидных бактерий колеблются от 1 до 8 мкм. Клетки одиночные или отделенные в цепочки.

Все молочно кислотные бактерии неподвижны, не образуют спор, грамположительны, не имеют фермента каталазы, являются факультативными анаэробными, есть микроаэрофилы. Палочковидные бактерии в большей степени, чем стрептококки, предпочитают анаэробные условия. Молочнокислые бактерии сбраживают моно- и дисахариды, однако используют не любой дисахарид. Некоторые из них не сбраживают сахарозу, другие – мальтозу, существуют не использующие лактозу. Крахмал и другие полисахариды молочнокислые бактерии не сбраживают. Некоторые, преимущественно гетероферментативные, бактерии используют пентозы и лимонную кислоту.

Различные виды молочнокислых бактерий образуют неодинаковое количество кислоты, что обусловлено различной их кислотоустойчивостью. Преобладающие большинством гомоферментативных палочковидных бактерий продуцирует кислоты больше (до 2-3,5%), чем стрептококки (около 1%). Поэтому палочковидные молочные бактерии могут развиваться при pH4,0-3,8; кокковые формы при такой кислотности среды не развиваются. Наилучшая бродильная активность палочковидных бактерий проявляется при pH5,5-6,0.

Большинство молочнокислых бактерий, особенно гомоферментативные палочковидные, очень требовательны к составу питательной среды и хорошо развиваются только при наличии различных аминокислот или еще более сложных органических соединений азота. Только редкие могут усваивать соли аммония. Большинство нуждается и в витаминах (в частичности пантотеновой и фолиевой кислотах). Поэтому выращивают молочнокислые бактерии на сложных питательных средах.

Благодаря высокой чувствительности к отдельным аминокислотам и витаминам молочнокислые бактерии используют в качестве "живых реактивов" при определении содержания этих веществ в различных субстратах.

Молочнокислые бактерии обладают протеолитической активностью. У разных видов эта способность проявляется в неодинаковой степени; более активны палочковидные формы. Молочнокислые бактерии легко переносят высушивание, устойчивы к и этиловому спирту; многие виды существуют при содержании в среде до 10-15% и более спирта. Некоторые молочнокислые бактерии устойчивы к выдерживая концентрацию до 7-10%; более того, из мясных рассолов выделены солеустойчивые штаммы, размножающиеся при 20%-ной концентрации

По отношению к температуре молочнокислые бактерии можно подразделить на мезофильные – с оптимум роста 25-35°С и термофильные - около 40-45°С. Отдельные молочнокислые бактерии холодоустойчивы и могут развиваться при относительно низких положительных температурах(5°С и ниже). При нагревании до 60-80°С они гибнут в течение 30-10 мин, но имеются и термоустойчивые формы, сохраняющиеся при нагревании до 85°С в течение нескольких минут.

Молочнокислые мезофильные бактерии довольно хорошо переносят замораживание, при этом стрептококки более устойчивы, чем палочковидные формы.

Некоторые молочнокислые бактерии образуют слизь, при их развитии жидкие субстраты становятся тягучими.

Установлено, что проявляемые молочнокислыми бактериями антагонистические по отношению ко многим сапрофитным и болезнетворным бактериям (возбудителем кишечных заболеваний, стафилококкам) свойства обусловлены не только продуцированием кислот, но и выделяемыми ими специфическими антибиотическими веществами.

В природных условиях молочнокислые бактерии встречаются на различных растениях, на разлагающихся растительных остатках, на многих пищевых продуктах ( плодах, овощах, в молоке, квашеной капусте и др.). В больших количествах обнаруживаются они в желудочно-кишечном тракте животных и человека. Кишечные кокковые формы называют энтерококками, или фекальными стрептококками.

Кокковые формы молочнокислых бактерий относятся к семейству Streptococcaceae, родом Streptococcus и Pediococcus (гетероферментативные) и Leuconostos (гетероферментативные), а палочковидные формы – к семейству Lactobacillaceae, роду Lactobacillus.

Наиболее важными в техническом отношении представителями гомоферментативных молочнокислых бактерий являются следующие:

Молочнокислый стрептококк – кокки, соединенные попарно или короткими цепочками. Это мезофиллы, при температуре 25-30°С молоко свертывается через 10-12ч. В среде накапливаются до 1% кислоты. Минимальная температура развития 10°С, максимальная – от 40 до 45°С. Некоторые расы образуют антибиотик низин.

Близкий по свойствам к S.lactis его подвиг S.lactis, diacetilactis способен, кроме сахаров, сбраживать соли лимонной кислоты с образованием ацетона и диацетила, что обусловливает ароматичность продуктов, в которых развивается этот стрептококк.

Сливочный стрептококк – сферические клетки, образующие длинные цепочки. Этот мезофильный стрептококк не активный кислотообразователь. Лучше растет при 25°С; минимальная температура развития 10°С, максимальная - 36-39°С. Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин.

Термофильный стрептококк – длинные цепочки кокков, хорошо развивается при 40-45°С; минимальная температура роста 15°С.

Эти виды молочнокислых стрептококков широко используются при приготовлении разнообразных кисломолочных продуктов.

Болгарская палочка – крупные палочки (иногда зернистые), часто образующие длинные цепочки. Не сбраживают сахарозу. Термофильная бактерия, оптимальная температура развития 40-45°С, минимальная - 20°С. Это активный кислотообразователь, накапливающий в молоке 2,5-3,5% молочной кислоты. Используется при изготовлении Южной простокваши, кумыса.

Ацидофильная палочка – термофильная бактерия температурный оптимум роста 37-40°С, минимум – около 20°С. При сквашивании в молоке накапливается до 2,2% кислоты. Некоторые способны к слизеобразованию. Используется в производстве ацидофильных кисломолочных продуктов.

Ацидофильные палочки вырабатывают антибиотические вещества, активные в отношении возбудителей кишечных заболеваний. Из чистых культур ацидофильных бактерий изготовляют биопрепараты, применяемые в медицинской практике, а также в животноводстве для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний животных.

Дельбрюковская палочка – зерновая термофильная палочка, встречается поодиночке и цепочками. Не сбраживает лактозу, поэтому в молоке не развивается. Образует в субстрате до 3,5% кислоты. Применяется в производстве молочной кислоты и в хлебопекарни.

Молочнокислая мезофильная палочка – небольшие палочки, часто сцепленные попарно или цепочкой. Температурный оптимум около 30°С. Накапливают до 1,3% кислоты. Это основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов.

Из гетероферментативных молочнокислых бактерий к технически важным следует отнести следующие.

Lactobacillus brevis – палочковидные бактерии, сбраживающие сахара при квашении капусты и огурцов с образование кислот (молочной и уксусной), этилового спирта и .

Leuconostoc cremoris – удлиненные кокки одиночные, парами или короткими цепочками. При сбраживании лимонной кислоты образует диацетил. Температурный оптимум 20-25°С. Этот лейконосток вводится в закваски для ароматизации продуктов.

Некоторые виды Leuconostoc являются активными слизеобразователями. В субстратах, содержащих сахарозу, образуется много "клейкого" полисахарида декстрана; при этом субстрат приобретает густую слизистую консистенцию.

Нетипичное (гетероферментативное) молочно кислое брожение осуществляют также бактерии рода Bifidobacterium, относящиеся к актиномицетам (ранее их относили к молочнокислым бактериям).они сбраживают глюкозу с образованием молочной и уксусной кислот. Это прямые или разветвленные палочки, не образующие спор, неподвижные, строгие анаэробы.

Бифидобактерии – обитатели кишечника человека и животных. Они способны продуцировать органические кислоты и антибиотические вещества и являются антагонистами гнилостной и болезнетворной кишечной микрофлоры человека.

· Практическое значение молочнокислого брожения. Молочнокислые бактерии широко применяются в различных отраслях промышленности, но особенно велика их роль в молочной промышленности.

Большое значение эти бактерии имеют при квашении овощей, силосовании кормов (растительной массы) для животных, в хлебопечении, особенно при изготовления ржаного хлеба. Положительные результаты дают исследования по использованию молочнокислых бактерий при изготовлении некоторых сортов колбас, солено-вареных мясных изделий, а также при созревании слабосоленой рыбы для ускорения процесса и придания продуктам новых ценных качеств(вкуса, аромата, консистенции и др.).

Промышленное значение имеет также применение молочнокислых бактерий для получения молочной кислоты, которую используют в безалкогольных напитков.

Спонтанно (самопроизвольно) возникающее молочнокислое брожение в продуктах (молоке, вине, пиве, безалкогольных напитках и др.) приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению).

3. Пропионово–кислое брожение

Пропионово–кислое брожение – это превращение сахара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды:

Некоторые пропионово-кислые бактерии образуют, кроме того, немного других кислот (муравьиную, янтарную, изовалериановую).

При пропионово-кислом брожении превращение глюкозы до пировиноградной кислоты протекает также по гликолитическому пути. В дальнейшем пировиноградная кислота, претерпевая ряд превращений, восстанавливается в пропионовую. Брожение вызывает бактерии, относящиеся к семейству Propionibacteriaceae, роду Propionibacterium. Это неподвижные, бесспоровые, грамположительные палочки, слегка искривленные. В неблагоприятных условиях развития клетки нередко принимают булавовидную форму.

Пропионово-кислые бактерии требовательны к пище (источнику азота и витаминов). Большинство не развиваются при pH среды 5,0-5,4. Они факультативные анаэробы, но могут переносить лишь низкое парциальное давление кислорода.

Оптимальная температура их развития 30-35°С; отмирают при температуре 60-70°С.

Эти бактерии, помимо сахаров и молочной кислоты, способны сбраживать пировиноградную кислоту, глицерин и некоторые другие вещества. Они разлагают аминокислоты, при этом выделяют жирные кислоты.

Пропионовая кислота и ее соли служат ингибиторами мицелиальных грибов и могут использоваться для предотвращения плесневения продуктов.

4. Масляно-кислое брожение

Масляно–кислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара масляно – кислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода, по уравнению:

В качестве побочных продуктов брожения при этом получаются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.

· Химизм масляно-кислого брожения. При этом брожении сахар претерпевает те же превращения, что и при спиртовом и гомоферментативном молочнокислом брожениях, вплоть до образования пировиноградной кислоты. Пировиноградная кислота при участии кофермента А (КоА) расщепляется до ацетилКоА (), . Две молекулы образовавшегося двууглеродного соединения конденсируются при участии фермента карболигазы. Из синтезированного четырехуглеродного соединения (ацетоацетилКоА) в сложном цикле последовательных превращений образуется масляная кислота.

· Возбудители масляно-кислого брожения. Масляно-кислые бактерии представляют собой подвижные довольно крупные грамположительные палочки, они образуют споры, которые располагаются центрально или ближе к концу палочки, придавая ей форму веретена или теннисной ракетки. Споры довольно термоустойчивы, выдерживают кипячение в течении нескольких минут.

Особенностью этих бактерий является наличие в клетках запасного вещества – крахмалоподобного полисахарида гранулезы (в виде зернышек – гранул), окрашивающегося йодом в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет.

Эти бактерии – строгие анаэробы. Оптимальная температура их развития 30-40°С, но есть и термофильные, у которых оптимум 70°С. Они чувствительны к кислотности среды: оптимум рН 6,9-7,4, а при рН ниже 4,5-4,9 развитие прекращается.

Масляно-кислые бактерии относятся к семейству Bacillaceae рода Clostridium. Типичным их представителем является Cl.butyricum.

Многие из них способны сбраживать не только простые сахара, но и более сложные соединения – декстрины, крахмал, пектиновые вещества, глицерин, соли молочной кислоты. По отношению к источникам азота эти бактерии неприхотливы. Они могут усваивать азот как белковый и аминокислотный, так и аммонийный; некоторые виды используют даже свободный азот из воздуха.

Масляно-кислые бактерии широко распространены в природе. Их постоянные места обитания – почва, илистые отложения на дне водоемов, скопления разлагающихся растительных остатков. А также они встречаются в различных пищевых продуктах.

Заключение

Таким образом, брожение - это процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе брожения в результате сопряженных окислительно-восстановительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов, и образуются химические соединения, которые микроорганизмы используют для биосинтеза аминокислот, белков, органических кислот, жиров и других компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты брожения. В зависимости от их характера различают брожение спиртовое, молочнокислое, масляно-кислое, пропионово-кислое, ацетонобутиловое, ацетоноэтиловое и другие виды. Характер брожения, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление брожения зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых брожение протекает: pH, аэрация, субстрат и другие.