Содержание

18. Изменчивость микроорганизмов. Понятие о модификации и мутации. Использование изменчивости микроорганизмов в пищевой и микробиологической промышленности                                                                 2

21. Сущность основного биохимического процесса, протекающего при квашении овощей и получении кисломолочных продуктов. Возбудители, их характеристика. Условия развития                                                                          7

51. Состав микрофлоры баночных консервов. Баночные консервы как возможный источник отравлений. Мероприятия по предупреждению                 12

Содержание                                                                                            14

18. Изменчивость микроорганизмов. Понятие о модификации и мутации. Использование изменчивости микроорганизмов в пищевой и микробиологической промышленности.

Как и весь мир живых организмов, микробы в процессе эволюции постоянно претерпевают изменения свойств.

Изменчивость, характерная для всех живых организмов, бывает двух типов. Прежде всего это наследственная изменчивость, которая связана с изменением самих генов или возникновением их новых комбинаций. Второй тип – модификационная изменчивость. В отличие от наследственной изменчивости она не связана с изменениями генотипа и в последующие поколения не передаётся.

Разнообразие фенотипов, возникающих у организмов одинакового генотипа под влиянием условий среды, называют модификационной изменчивостью. Спектр модификационной изменчивости определяется нормой реакции. Примером модификационной изменчивости может служить изменчивость генетически сходных (идентичных) особей.

Иногда модификационная изменчивость называется ненаследственной. Это верно в том смысле, что модификации не наследуются. Следует помнить, однако, что сама способность живых организмов к адаптивным модификациям – приспособительным изменениям – генетически обусловлена, выработана в результате естественного набора. [5]

Простота строения, быстро протекающие жизненные процессы и быстрая сменяемость поколений являются причинами высокой приспособляемости и изменчивости микроорганизмов. Приспособление (адаптация) к различным факторам у микроорганизмов протекает неодинаково. Адаптация, например, к изменениям температуры, особенно повышенной, происходит медленнее, чем к использованию новых источников питания.

Способность микроорганизмов сравнительно легко приобретать новые свойства используется в практике для получения особо ценных, высокопродуктивных их разновидностей (штаммов), применяемых в пищевой промышленности, производстве медицинских препаратов и для других целей.

Путём селекции, т. е. многократного отбора, получены штаммы спиртоустойчивых дрожжей и кислотоустойчивых уксуснокислых бактерий. В результате неоднократно повторенного отбора выделены улучшенные расы дрожжей, применяемые в производстве шампанских вин. Путём направленного изменения свойств получены авирулентные (неспособные вызывать заболевание) расы многих болезнетворных бактерий: сибиреязвенных бацилл, чумной палочки, бруцеллеза и др. Такие штаммы используются для производства вакцин.

Согласно теории, объясняющей механизм наследования признаков, сформулированной в середине XIX века И. Г. Менделем, в клетках живых организмов находятся особые наследственные задатки или факторы. Новым поколениям с ними передаётся вся наследственная информация о программе развития от родительских организмов. Установлено, что первичная наследственная информация сосредоточена в особых структурных элементах ядра клетки – хромосомах.

Главной составной частью хромосом является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК всех организмов содержит всего четыре нуклеотида, образованных соответствующими азотистыми основаниями, - аденином (А), гуанином (Г), тимином (Т) и цитозином (Ц). Нуклеотиды помимо азотистого основания содержат дезоксирибозу (сахар) и остатки фосфорной кислоты. Повторяясь множество раз и в разной последовательности, они образуют бессчётное количество различных сочетаний в молекуле ДНК. Эти особенности стуктуры ДНК и являются шифром, с помощью которого закодированы свойства и признаки каждого организма.

ДНК построена в виде двух цепочек нуклеотидов, спирально закрученных навстречу одна другой и соединённых через пары нуклеотидов. Строение ДНК принято сравнивать со спиральной лестницей. Молекулы ДНК очень велики, в их состав входят тысячи и даже миллионы нуклеотидов. Молекулярный вес ДНК бактерий достигает 5 – 8 млн. Отдельные участки цепочки ДНК, называемые генами, ответственны за то или иное конкретное свойство, признак организма.

В процессе размножения клеток двойная спираль ДНК расщепляется, и на каждой половинке «лестницы» достраивается точная копия отщепившейся части. Так удваивается набор ДНК. Половина набора, т. е. уже целая молекула ДНК, попадает во вновь образовавшуюся клетку и обеспечивает её соответствующее развитие, строение, свойства. [2]

Возникновение изменённых форм микроорганизмов может происходить также путём мутации, адаптации и диссоциации.

Мутация – это изменение в химической структуре того или иного участка хромосом (гена) и возникшие в связи с этим изменения свойств, организма, наступающие внезапно. Иногда под мутацией понимают любое изменение в наследственном механизме клетки.

Мутации микроорганизмов могут происходить естественным путём и вызываться искусственно с помощью, например, химических воздействий, ультрафиолетового и рентгеновского облучений, действия хлористого марганца, перекисей, минеральных масел. В результате таких воздействий на клетки у некоторых из них возникают повреждения, перестановки отдельных нуклеотидов в цепочке ДНК и др.

При одном и том же воздействии мутанты, т. е. клетки с изменённой наследственностью, могут приобрести совершенно различные свойства. В большинстве случаев приобретённые мутантами свойства невыгодны для самих микробов и не нужны для человека. Но среди множества мутантов могут находиться особи с более полезными в хозяйственном отношении свойствами, чем у исходных форм.

Наиболее перспективным методом для получения мутантов и последующего выделения полезных форм является радиационная и химическая обработка. Так, облучением гриба пенициллиум удалось получить мутанты, которые в 50 – 100 раз активнее образуют пенициллин по сравнению с исходной формой.

В сотни раз более активные мутанты, чем исходные формы используются в производстве глутаминовой кислоты. С помощью мутантных микроорганизмов получают также в значительных количествах аминокислоту лизин.

Адаптация – это приспособление микроорганизма к новым условиям внешней среды: к появлению в ней иных источников питания, антибиотиков и т. д.

Среди множества клеток, обитающих в том или ином субстрате, в результате неожиданных, постоянно происходящих мутаций могут оказаться отдельные клетки с повышенной способностью воспринимать эти новые условия. Частота их появления относится как 1:10⁷. размножаясь быстрее остальных в благоприятных для них условиях, со временем они становятся преобладающими, составляя основную массу по численности или даже полностью замещая исходную культуру.

Таким образом, адаптация представляет собой сочетание мутаций с последующим отбором.

Большой интерес представляет изучение механизма изменчивости и наследования приобретённых признаков, последовательности расположения в молекуле ДНК участков, ответственных за те или иные признаки, свойства. Знания в этой области имеют большое теоретическое значение, а в перспективе могут иметь возможность целенаправленного формирования новых разновидностей и форм микроорганизмов с необходимыми свойствами. [1]

Разработка наиболее рациональных приемов использования микробов в хозяйственной деятельности человека и сознательная селекция микробов стали возможны только после разработки микроскопических методов изучения и выяснения способов расселения и размножения микроорганизмов.

Основная заслуга в успешном разрешении этих вопросов принадлежит гениальному французскому ученому Луи Пастеру (Pasteur, 1822-1895), подлинному создателю научной селекции микробов, основанной на сознательном применении методического искусственного отбора и умелом использовании естественного отбора путем создания условий, в которых отбор действует в желательном для селекционера направлении. Дальнейшее усовершенствование селекции микробов тесно связано с достижениями генетики и использованием этих достижений в селекции.

Г. А. Надсон (1920) в результате ряда тщательно выполненных опытов еще в 1920 г. показал, что ионизирующая радиация вызывает у грибов и бактерий стойкие наследственные изменения. Он выделил таким путем у Azotobacter chroococcum штаммы, отличающиеся повышенной способностью ассимилировать атмосферный азот.

В начале 40-х годов Бидл и Татум (Beadle & Tatum, 1941), использовав ионизирующую радиацию для вызывания мутаций у микробов, получили у гриба Neurospora crassa значительное количество мутантов с измененным обменом веществ и повышенными требованиями к питательным веществам. Эти исследования привели к созданию биохимической генетики и оказали очень сильное влияние на усовершенствование селекции микробов.

В настоящее время в селекции микробов существуют три основных направления:

1. Селекция на повышение устойчивости к ядам, антибиотикам и на понижение требований к составу питательной среды;

2. Селекция на повышение накопления полезных веществ;

3. Селекция на повышение требований к ростовым веществам.

Методы селекции микробов постоянно совершенствуются. Благодаря им ученые смогли разработать способы для получения новых веществ и препаратов, в которых так нуждается человечество. [4]

21. Сущность основного биохимического процесса, протекающего при квашении овощей и получении кисломолочных продуктов. Возбудители, их характеристика. Условия развития.

Человеком широко используются способности микробов в процессах питания и дыхания активно преобразовывать различные вещества. С помощью микроорганизмов получают ценные пищевые продукты, а также вещества, применяемые в промышленности. Некоторые из них используются для защиты пищевых продуктов от нежелательного воздействия со стороны других микроорганизмов. С другой стороны, эти же микроорганизмы, развиваясь в пищевых товарах и других средах самопроизвольно, приносят вред, вызывая порчу и большие количественные потери. Наиболее важны в практическом отношении брожения.

Брожение лежит в основе целого ряда пищевых производств: виноделия, пивоварения, хлебопечения, получения спирта, получения диетических кисломолочных продуктов и в других технических процессах. [3]

Молочнокислое брожение – это анаэробное превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты. Оно играет определяющую роль при производстве простокваши, кумыса, кефира, сметаны, при квашении капусты и огурцов, силосовании сочных растительных кормов, изготовлении жидких дрожжей, заквасок, кваса.

Важным техническим продуктом является молочная кислота, широко применяемая при производстве фруктовых соков, консервов, в кондитерской, кожевенной, текстильной и других отраслях промышленности.

По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные (типичные) и гетероферментативные (нетипичные).

Гомоферментативные молочнокислые бактерии являются анаэробами или микроаэрофилами (способны развиваться при незначительном содержании кислорода). В процессе брожения образуют в основном молочную кислоту и очень мало побочных продуктов.

Сбраживанию могут подвергаться как моносахара, так и дисахара. Более сложные углеводы не могут перерабатываться молочнокислыми бактериями, так как они не имеют ферментов для расщепления этих сахаров.

Отсутствием у гомоферментативной группы молочнокислых бактерий фермента, способного вызывать декарбоксилирование пировиноградной кислоты, объясняется невозможность образования уксусного альдегида. Пировиноградная кислота, являясь кетонокислой, восстанавливается в соответствующую оксикислоту под действием фермента лактикодегидрогеназы.

Гомоферментативные молочнокислые бактерии неподвижны, спор не образуют, грамположительны, хорошо выносят высушивание (сухие молочнокислые закваски сохраняются годами). Требовательны к питательной среде, так как многие нуждаются в свободных аминокислотах и других ростовых веществах и витаминах. Среди них встречаются палочковидные и кокковые формы. Все они кислотоустойчивы. Палочковидные формы образуют до 2-3% кислоты, кокковые – до 1-1,2%.

По отношению к температуре молочнокислые бактерии можно разделить на мезофилов, оптимальная температура развития которых 35⁰С и термофилов – оптимальная температура для которых около 45⁰С.

Большой интерес из гомоферментативных возбудителей молочнокислого брожения представляют следующие.

-         Молочнокислый стрептококк – кокки, соединённые в короткие цепочки или попарно; встречается в молоке и сквашивает его, не образуя газа. Лучше всего развивается при температуре 30-35⁰С. В этих условиях молоко свёртывается через 10-12 часов. В среде накапливается до 1% кислоты.

-         Сливочный стрептококк – кокки, образующие длинные цепочки, лучше растут при температуре 25-30⁰С. Применяется в заквасках вместе с молочнокислым стрептококком. Накапливает до 0,8% кислоты.

-         Болгарская палочка – крупные полочки, часто образующие длинные цепочки. Оптимальная температура роста 40-45⁰С. В молоке образует 2,7-3,7% молочной кислоты.

-         Ацидофильная палочка имеет температурный оптимум роста 40⁰С; в молоке накапливает до 2,2% кислоты. Применяется для производства ацидофильного молока. Способна к слизеобразованию.

-         Палочка Дельбрюка встречается поодиночке или в виде коротких цепочек. Оптимум температуры развития 45-50⁰С. Сбраживает растительные сахара и не сбраживает молочный сахар (лактозу). Применяется в технике для производства молочной кислоты, развивается при квашении овощей. В сахарном и спиртовом производствах наносит ущерб.

-         Молочнокислая палочка – основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов. Может принимать участие в порче сыров типа чеддер, вызывая появление ржавых пятен, наносит ущерб сахарному и спиртовому производствам.

-         Сырная палочка имеет оптимальную температуру роста 40-42⁰С. Накапливает до 1,5% кислот. Имеет важное значение в сыроделии, принимая участие в созревании швейцарского и советского сыров. Участвует в брожении кумыса.

Гетероферментативные молочнокислые бактерии являются факультативными анаэробами. При брожении кроме молочной кислоты в зависимости от видов участвующих бактерий и условий образуют уксусную кислоту, этиловый спирт, а также янтарную кислоту, различные эфиры, углекислый газ, водород, диацетил (вещество, обладающее приятным ароматом) и др.

При выбраживании ржаного теста благодаря участию молочнокислых (гетероферментативных) бактерий наряду с дрожжами образуется значительное количество молочной и уксусной кислот, этилового спирта и углекислого газа. При совместном обитании молочнокислые бактерии и дрожжи оказывают взаимное благотворное влияние.

Наглядным примером симбиотических отношений этих микроорганизмов является их совместное обитание в так называемых кефирных зёрнах, применяемых в качестве закваски при производстве кефира.

Группа гетероферментативных бактерий способна к более глубокому расщеплению белков, чем гомоферментативная.

Среди гетероферментативных видов молочнокислых бактерий наиболее важны:

-         Капустная палочка – возбудитель брожения, встречающийся при сквашивании овощей: огурцов, капусты. Образует до 1,2% молочной кислоты. Наряду с другими веществами продуцирует много ароматических веществ, придающих продуктам в процессе сквашивания приятный вкус и аромат.

-         Ароматобразующие стрептококки кроме кислот и углекислого газа продуцируют ароматические вещества (эфиры и диацетил).

Из нетипичных молочнокислых бактерий заслуживают внимания представители рода лейконосток. Они представляют слегка удлинённые кокки размером 0,8-1 мкм, образующие цепочки или располагающиеся попарно. Часто образуют слизистую оболочку, термоустойчивы (выносят нагревание до 88⁰С); могут принимать участие в порче вин, понижая их кислотность, превращая в сплошную слизистую массу. [1]

Микрофлора кисломолочных продуктов зависит в первую очередь от состава применяемых заводских заквасок, микрофлоры используемого молока и санитарно-гигиенического состояния производственного оборудования (емкостей для молока, трубопроводов и др.)

Для приготовления кисломолочных продуктов в пастеризованное охлаждённое молоко вносят закваски, состоящие из чистой культуры того или иного вида или смеси чистых культур нескольких видов кисломолочных бактерий. Для производства кефира и кумыса используют закваски, в составе которых имеются ещё и дрожжи.

Применение чистых культур различных возбудителей молочнокислого брожения обеспечивает получение готовых продуктов высокого качества с определёнными, всегда одинаковыми свойствами. Примесь случайной микрофлоры ухудшает качество простокваши, кефира, кумыса, сметаны и т. д. [1]

Микрофлора квашеных (солёных, мочёных) овощей и плодов в основном представлена различными молочнокислыми бактериями. В наиболее активной фазе брожения количество их в 1 г продукта может достигать 500 млн. в готовых продуктах выживают лишь анаэробные и факультативно-анаэробные, кислотоустойчивые, малочувствительные к поваренной соли бактерии: плантарум, бревис и др. Последние относятся к гетероферментативным. Образуя значительные количества уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа, эфиров, диацетила, они придают квашеным овощам приятный вкус.

В глубинных слоях квашеных овощей (в бочках) при повышенной температуре хранения могут развиваться маслянокислые бактерии, вызывающие размягчение консистенции, придающие тяжёлый запах и неприятный вкус. Поверхностные слои могут заселяться дрожжами, плесневыми грибами, портящими эти продукты за счёт опреснения рассолов, размягчения консистенции. При обильном развитии в поверхностном слое плесневых грибов создаются благопритные условия для гнилостных бактерий, вызывающих глубокую порчу. [1]

51. Состав микрофлоры баночных консервов. Баночные консервы как возможный источник отравлений. Мероприятия по предупреждению.

Тепловая стерилизация имеет целью вызвать гибель всех микробов, находящихся в продукте. Герметичная закатка банок исключает проникновение микробов внутрь при хранении. Однако известно, что в стерилизованных консервах обнаруживаются жизнеспособные микробы. Объясняется это тем, что среди множества микробов, в расчёте на термическую устойчивость которых устанавливается режим стерилизации, попадаются отдельные с более высокой устойчивостью. Они выживают, составляя остаточную микрофлору консервов. Чаще всего в состав остаточной микрофлоры входят споры картофельной, сенной палочек, маслянокислых бактерий, иногда ботулинуса.

Обнаружение бесспоровых микробов, кокковых, кишечной палочки и других свидетельствует о неправильном режиме тепловой обработки, низком качестве консервов. В недостаточно простерилизованных консервах обнаруживаются гетероферментативные молочнокислые бактерии, стрептококки, дрожжи.

Установлено, что чем выше степень обсеменения сырья, тем большее число микробов выдерживают стерилизацию и тем хуже хранятся консервы.

В банках больших размеров при наличии значительного количества жира или крупных кусков продукта остаточная микрофлора обильнее. Кислая среда консервов, наоборот, способствует гибели бактерий во время стерилизации. Это учитывается при установлении режима стерилизации. Так, мясные консервы стерилизуют при 120⁰С, а фруктовые и овощные – при 100 – 105⁰С.

Большинство микробов в консервной банке не развиваются и порчу не вызывают в силу того, что они угнетены действием высокой температуры, отсутствием воздуха, в отдельных случаях и кислой реакцией содержимого. Однако некоторые из них постепенно приспосабливаются и начинают проявлять жизнедеятельность. Это чаще споровые анаэробы. Образующиеся углекислый газ, сероводород, водород вздувают банку. Такая порча носит название биологический бомбаж. Бомбажные консервы употреблению не подлежат, так как могут служить причиной тяжёлых отравлений.

Иногда возникает порча консервов в связи с так называемым плоским скисанием. Это порок консервов, возникающий при развитии остаточной анаэробной (споровой) микрофлоры, сбраживающей углеводы без образования газообразных продуктов. В связи с этим вздутия банок не происходит. Однако содержимое при вскрытии оказывается испорченным – имеет кисло-гнилостный запах, разжиженную консистенцию. Плоскому скисанию подвергаются консервы со слабокислым содержанием (горошек, продукты детского питания, мясные и колбасные консервы).

Повышение общего санитарно-гигиенического режима переработки, использование высоких температур при стерилизации, высококачественного сырья предупреждают порчу консервов при хранении. [1]

Список литературы

1.     Азаров В. Н. Основы микробиологии и пищевой гигиены: Учебник для товаровед. и технол. отд-ний техникумов торговли. – М.: Экономика, 1981. – 216 с.

2.     Варфоломеев С. Д., Калюжный С. В. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов: Учеб. пособие для студентов биол. и хим. специальностей вузов. – М.: «Высшая школа», 1990. – 296 с.

3.     Р. Реннеберг, И. Реннеберг. От пекарни до биофабрики. – М.: «Мир». – 1991. – 112 с.

4.     Орлова И. Н. Генетический анализ. Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 1991. – 318 с., ил.

5.     Ручай Н. С., Конев С. В. Биохимия и микробиология. – М.: Экология, 1992