Содержание

3. Спорообразование и роль спор микроорганизмов. Значение данного фактора при производстве и хранении продуктов. 3

22. Сравнительная характеристика маслянокислого и пропионово-кислого брожений. Сущность процессов. Характеристика возбудителей, условия развития. Практическое использование. 6

39. Микрофлора плодов и овощей при квашении. Виды порчи, возбудители, меры предупреждения. 15

Список литературы.. 16

3. Спорообразование и роль спор микроорганизмов. Значение данного фактора при производстве и хранении продуктов

Микробиология – наука, изучающая мельчайшие, невидимые простым глазом организмы, называемые микробами. Они содержатся в почве, воде, воздухе, на поверхности пищевых продуктов. находят микроорганизмы даже в сильных ядах, атомных реакторах, горячих источниках и при очень низкой температуре. Главные источники, откуда микроорганизмы попадают в пищевые продукты, - почва, воздух и вода[1].

Для многих бактерий характерно образование внутри их тела, посередине или на одном из концов, эндогенной споры круглой или овальной формы. К спорообразованию способны только зрелые клетки бактерий.

Споры появляются при неблагоприятных внешних условиях существования бактерий (недостаток питательных веществ, наличие вредных продуктов обмена, неблагоприятная температура, высушивание).

Таким образом, спорообразование у бактерий является одним из выработавшихся в процессе эволюции приспособлений к переживанию неблагоприятных условий и сохранению вида в измененных условиях среды. Одна бактериальная клетка образует одну эндоспору, которая, попадая в благоприятную среду, прорастает, образуя также одну клетку.

Спорообразование свойственно палочковидным бактериям, широко распространенным в природе, в воде, воздухе, почве.

К патогенным спорообразующим бациллам принадлежат: палочка столбняка, возбудители газовой гангрены, возбудитель пищевого отравления – палочка ботулизма, палочка сибирской язвы.

Расположение спор характерно для того или иного вида бацилл: оно бывает центральным, субтерминальным (ближе к одному кнцу), терминальным (на самом конце).

Процесс спорообразования протекает в течение суток или быстрее.

Он начинается с появления в клетке «спорогенной зоны», затем образование «проспоры» и зрелой споры.

В течение этих стадий происходит уплотнения цитоплазмы, концентрирование ядерной субстанции и формирование плотной оболочки, которая состоит из трех слоев – внутреннего, промежуточного и наружного.

Принято считать, что в споре происходит значительная потеря воды.

Однако отдельные исследователи указывают, что количество воды в споре не меньше, чем в вегетативной клетке, но разница заключается в том, что в споре вода находится в связанном состоянии и, таким образом, не может принимать участие в некоторых процессах, например в тепловой коагуляции белков. Обнаружены количественные изменения некоторых компонентов в составе споры по сравнению с вегетативной клеткой.

Так, в споре отмечена высокая концентрация кальция, что повышает ее устойчивость к нагреванию.

Хотя набор энзимов в споре тот же, что и в вегетативной клетке, однако энзиматическая активность у споры отсутствует, что также повышает ее стойкость.

Стойкость споры и ее состояние ареактивности обусловлены и плотностью ее оболочки.

Таким образом, физико-химические и биологические особенности споры характеризуют ее как весьма стойкую форму, находящуюся в состоянии покоя.

Зрелая спора в течение длительного времени может оставаться в покоящемся состоянии, сохраняя жизнеспособность.

Если спора попадает в благоприятные условия, начинается ее прорастание: спора набухает, становится богаче водой, слабее преломляет свет.

В ней активируются энзиматические процессы, в частности становятся деятельными ферменты, способные разрушать оболочку споры, и в образовавшееся отверстие выходит проросток, превращающийся затем в вегетативную клетку.

Весь процесс прорастания споры заканчивается в течение нескольких (4-5) часов.

Споры бактерий являются наиболее устойчивыми образованиями среди всего органического мира.

Они обладают поразительной выносливостью к высокой и низкой температуре, высушиванию, сохраняя свою жизнеспособность до многих десятков лет.

Это свойство спор обусловлено их структурой: в сравнении с вегетативной клеткой цитоплазма споры сгущена, содержит воду в связанном состоянии; оболочка споры уплотнена и плохо проницаема для раствора.

Значение спорообразования играет огромную роль при производстве и хранении продуктов.

Устойчивость спор затрудняет борьбу с патогенными спорообразующими бактериями во внешней среде. Высокая резинистость спор определила разработку практических методов стерилизации, значение которых в пищевой промышленности огромно.

Вследствие плотности и слабой проницаемости оболочки споры при обычных способах окрашивания не адсорбируют красителей и требуют специальных методов окраски. В неокрашенном состоянии спора сильнее преломляет свет и поэтому видна внутри или вне бактериальной клетки в виде блестящего тельца.

Способность спорообразования является стойким видовым признаком ряда бацилл[2].

22. Сравнительная характеристика маслянокислого и пропионово-кислого брожений. Сущность процессов. Характеристика возбудителей, условия развития. Практическое использование

Брожение - это сугубо микробиологический термин. Он характеризует энергетическую сторону способа существования нескольких групп эубактерий, при котором они осуществляют в анаэробных условиях окислительно-восстановительные превращения органических соединений, сопровождающиеся выходом энергии, которую эти организмы используют. Поскольку брожение протекает без участия молекулярного кислорода, все окислительно-восстановительные превращения субстрата происходят за счет его «внутренних» возможностей. Процесс брожения связан с такими перестройками органических молекул субстрата, в результате которых на окислительных этапах процесса высвобождается часть свободной энергии, заключенной в молекуле субстрата, и происходит ее запасание в молекулах АТФ. В процессе брожения, как правило, происходит расщепление углеродного скелета молекулы субстрата[3].

Круг органических соединений, которые могут сбраживаться, довольно широк. Это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины. Химическое вещество может быть подвергнуто сбраживанию, если оно содержит неполностью окисленные (или восстановленные) углеродные атомы. В этом случае есть возможность для окислительно-восстановительных преобразований между молекулами (или внутри одного вида молекул), возникающими из субстрата. В результате одна часть продуктов брожения будет более восстановленной, другая — более окисленной по сравнению с субстратом. Продуктами брожений являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная, муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, пропиловый), ацетон, а также CO2 и H2. Обычно в процессе брожения образуется несколько продуктов. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в среде, различают молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, пропионовокислое и другие виды брожений.

В данном вопросе мы рассмотрим и сравним маслянокислое и пропионовокислое брожения.

В каждом виде брожения можно выделить две стороны: окислительную и восстановительную. Процессы окисления сводятся к отрыву электронов от определенных метаболитов с помощью специфических ферментов (дегидрогеназ) и акцептированию их другими молекулами, образующимися из сбраживаемого субстрата, т. е. в процессе брожения происходит окисление анаэробного типа.

Собственно энергетической стороной процессов брожения является их окислительная часть, поскольку реакции, ведущие к выделению энергии, - это реакции окисления. Существует несколько исключений из этого правила: некоторые анаэробы часть энергии при сбраживании субстрата получают также в результате его расщепления. Примитивность процессов брожения заключается в том, что из субстрата в результате его анаэробного преобразования извлекается лишь незначительная доля той химической энергии, которая в нем содержится. Продукты, образующиеся в процессе брожения, все еще содержат в себе значительное количество энергии, заключавшейся в исходном субстрате. Чтобы четче представить разницу в энергетическом выходе процессов брожения и дыхания, приведем данные по изменению уровней стандартной свободной энергии для процессов гомоферментативного молочнокислого брожения и дыхания при одинаковом исходном энергетическом субстрате (глюкоза):

DG0'=-196,65 кДж/моль;

DG0' = –2870,22 кДж/моль.

В процессе гомоферментативного молочнокислого брожения синтезируются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы; в процессе дыхания при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. В обоих случаях эффективность запасания выделяющейся энергии в макроэргических связях АТФ приблизительно одинакова.

При брожении некоторые реакции на пути анаэробного преобразования субстрата связаны с наиболее примитивным типом фосфорилирования -субстратным фосфорилированием. К синтезу АТФ по механизму субстратного фосфорилирования ведут катаболические реакции, которые в зависимости от своей химической природы могут быть разделены на два типа. Большинство относится к окислительно-восстановительным реакциям. Богатые энергией соединения возникают в процессе брожения на этапах анаэробного окисления. Например, окисление фосфоглицеринового альдегида (ФГА), катализируемое ФГА-дегидрогеназой, приводит к образованию богатого энергией метаболита - 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1, 3-ФГК). Анаэробное окисление пировиноградной или a-кетоглутаровой кислот приводит к образованию высокоэнергети-ческих метаболитов - ацетил-КоА40 или сукцинил-КоА соответственно.

Второй тип реакций связан с расщеплением субстратов или промежуточных продуктов, образующихся из них. Катализируются эти реакции ферментами, относящимися к классу лиаз. Например, у гетероферментативных молочнокислых бактерий высокоэнергетический ацетилфосфат образуется из ксилулозо-5-фосфата в реакции, катализируемой фосфокетолазой:

ксилулозо-5-фосфат + ФН ® ФГА+ ацетилфосфат + H2O.

К реакциям подобного типа относится также расщепление цитруллина, приводящее к синтезу карбамоилфосфата - соединения с макроэргической фосфатной связью:

цитруллин + ФН ® карбамоилфосфат + орнитин.

Богатые энергией соединения, образующиеся в реакциях рассмотренных выше типов, представляют в большинстве случаев ангидриды фосфорной кислоты или тиоэфиры органических кислот. Последние используются для синтеза АТФ через ферментативную стадию образования соответствующих ацилфосфатов:

ацил-КоА + ФН ® ацилфосфат + КоА-SH.

Из других высокоэнергетических соединений важное место в энергетике процессов брожения принадлежит фосфоенолпировиноградной кислоте (ФЕП). Эти соединения характеризуются тем, что свободная энергия, освобождающаяся при их гидролизе, находится в области значений от -35 до -88 кДж/моль и с помощью соответствующих ферментов может быть перенесена на молекулы АДФ.

Несмотря на большое число углеродных субстратов, доступных для сбраживания, количество реакций, приводящих непосредственно к синтезу АТФ при брожениях, сравнительно невелико. Наиболее распространены следующие из них:

1) ацетилфосфат + АДФ ® ацетат + АТФ;

2) 1,3-фосфоглицериновая кислота + АДФ ® 3-фосфоглицеринновая кислота + АТФ;

3) фосфоенолпировиноградная кислота + АДФ ® пировиноградная кислота + АТФ[4].

Новое в маслянокислом брожении - возникновение реакций конденсации типа С2 + С2 ® С4, в результате чего образуется С4-акцепторная кислота. Судьба этой кислоты различна и определяется необходимостью акцептирования водорода с НАД-H2, освобождающегося в процессе брожения, а это в свою очередь тесно связано с оттоком водорода на конструктивные процессы. В качестве конечных C4-продуктов в процессе брожения возникают соединения различной степени восстановленности. Характерным C4-продуктом брожения является масляная кислота. Осуществляют такой тип брожения многие бактерии, относящиеся к роду Clostridium.

Типичными представителями клостридиев, осуществляющих маслянокислое брожение, являются C. butyricum и C. pasteurianum. Они сбраживают сахара с образованием масляной и уксусной кислот, CO2 и H2. Превращение глюкозы до пирувата осуществляется по гликолитическому пути. Следующая реакция - разложение пирувата до ацетил-КоА и CO2, сопровождающееся образованием восстановленного ферредоксина (Фд). Реакция катализируется ферментом пируват: ферредоксиноксидоредуктазой и является ключевой в маслянокислом брожении. Особенности реакции - участие в ней белков, содержащих негемовое железо и кислотолабильную серу (FeS-белки).

Кислотолабильной она названа потому, что при кислотной обработке белка происходит ее выделение в виде H2S.

К FeS-белкам относится группа белков, участвующих в процессах электронного транспорта (ферредоксины), и ряд ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции. Установлено, что FeS-белки являются ключевыми в таких важных клеточных процессах, как фотосинтез, дыхание, азотфиксация, фиксация CO2.

Выведение уравнения маслянокислого брожения и определение его энергетического выхода затруднительно из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений: одного - окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого - восстановительного, функция которого - акцептирование водорода, образовавшегося в процессе гликолиза. Количественное соотношение между обоими ответвлениями зависит от многих внешних факторов (состав среды, стадия роста и др.).

Расчеты показали, что в целом на 1 моль сбраживаемой глюкозы в маслянокислом брожении образуется 3,3 моля АТФ. Это наиболее высокий энергетический выход брожения, т. е. получения энергии за счет субстратного фосфорилирования, из всех рассмотренных выше типов брожений.

Некоторые клостридии (C. acetobutylicum, C. bejerinckii, C. cellobioparum и др.) при сбраживании сахаров наряду с кислотами накапливают в среде нейтральные продукты (бутиловый, изопропиловый, этиловый спирты, ацетон). Особенно много нейтральных продуктов образуется культурой C. acetobutylicum, что дало основание в свое время выделить как вариант маслянокислого брожения ацетоно-бутиловое брожение. У клостридиев, осуществляющих ацетоно-бутиловое брожение, образование масляной кислоты происходит на первом этапе брожения. По мере подкисления среды (до pH ниже 5) и повышения в ней концентрации жирных кислот индуцируется синтез ферментов, приводящих к накоплению нейтральных продуктов, в первую очередь н-бутанола и ацетона. н-Бутанол образуется из бутирил-КоА, предшественника масляной кислоты, в результате двух последовательных ферментативных реакций. Первая из них заключается в отщеплении кофермента А и одновременном гидрировании, приводящем к образованию масляного альдегида. Последующее его восстановление с помощью НАД-H2 приводит к появлению н-бутанола. Путь, ведущий к образованию ацетона, начинается с переноса от ацетоацетил-КоА кофермента А на ацетат. Декарбоксилирование ацетоуксусной кислоты приводит к образованию ацетона. Образование этанола происходит в результате двухступенчатого восстановления ацетил-КоА.

Некоторые клостридии (C. acetobutylicum, C. bejerinckii, C. cellobioparum и др.) при сбраживании сахаров наряду с кислотами накапливают в среде нейтральные продукты (бутиловый, изопропиловый, этиловый спирты, ацетон). Особенно много нейтральных продуктов образуется культурой C. acetobutylicum, что дало основание в свое время выделить как вариант маслянокислого брожения ацетоно-бутиловое брожение. У клостридиев, осуществляющих ацетоно-бутиловое брожение, образование масляной кислоты происходит на первом этапе брожения. По мере подкисления среды (до pH ниже 5) и повышения в ней концентрации жирных кислот индуцируется синтез ферментов, приводящих к накоплению нейтральных продуктов, в первую очередь н-бутанола и ацетона. н-Бутанол образуется из бутирил-КоА, предшественника масляной кислоты, в результате двух последовательных ферментативных реакций. Первая из них заключается в отщеплении кофермента А и одновременном гидрировании, приводящем к образованию масляного альдегида. Последующее его восстановление с помощью НАД-H2 приводит к появлению н-бутанола. Образование этанола происходит в результате двухступенчатого восстановления ацетил-КоА.

Рассмотрим теперь дальнейшую судьбу каждого из двух продуктов реакции, а также вопрос о происхождении одного из субстратов реакции - метилмалонил-КоА. (Основным источником пировиноградной кислоты служит процесс гликолитического расщепления гексоз или окислительные превращения, если в качестве субстрата брожения используют, например, диоксиацетон или глицерин.)

Следующая реакция заключается в переносе КоА-группы с пропионил-КоА на янтарную кислоту (сукцинат), в результате чего образуется сукцинил-КоА и пропионовая кислота.

Образовавшаяся пропионовая кислота выводится из процесса и накапливается вне клетки. Сукцинил-КоА превращается в метилмалонил-КоА.

В состав кофермента метилмалонил-КоА-мутазы входит витамин B12. Перегруппировки типа, указанного в приведенном выше уравнении, характерны для реакций, катализируемых ферментами, содержащими витамин B12. В описанной выше реакции происходящие перемещения атомов в молекуле сводятся к двум типам: изменению углерод-углеродных связей и перераспределению водорода между углеродными атомами. Реакция, катализируемая мутазой, - ключевая в пропионовокислом брожении, так как в ней подготавливается субстрат, являющийся предшественником пропионовой кислоты.

Образование пропионовой кислоты из пировиноградной - результат взаимосвязанного функционирования двух циклов: цикла переноса одноуглеродного фрагмента и цикла переноса кофермента А[5].

Вывод:

Маслянокислое брожение - процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях в масляную кислоту, углекислый газ и водород. Побочные продукты брожения – бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.

В природе маслянокислое брожение является частью превращения органическизх веществ, но на практике может стать причиной порчи овощей, бомбажа консервов, вспучивания сыра и др.

При пропионовокислом брожении сахар и молочная кислота превращаются в пропионовую или уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды. некоторые пропионовокислые бактерии образуют муравьиную, янтарную и другие кислоты. Пропионовокислое (направленное) брожение применяется при созревании сыров. За счет углекислого газа, выделяемого при пропионовокислом брожении, образуются глазки сыра, а сама кислота (вместе с уксусной) придает продукту острый вкус и специфический запах. Пропионовая кислота ингибирует плесени, может применяться для получения витамина В₁₂[6].

39. Микрофлора плодов и овощей при квашении. Виды порчи, возбудители, меры предупреждения

Квашение – наиболее щадящий метод консервирования плодов и овощей. Аскорбиновая кислота содержится в свежей капусте в различных формах. Витаминной активностью обладают не все из них. Химические реакции, происходящие при квашении, способствуют переходу этих веществ в витаминно-активную форму. Таким образом, в квашенной капусте может содержаться большее количества витамина С. Так как витамин С хорошо растворим в воде, то наибольшее количество его обнаруживается в рассоле, а промывание квашенной капусты водой при подаче к столу сокращает содержание этого витамина в 6-8 раз.

Процесс квашения основан на том, что при высокой концентрации сахара и поваренной соли увеличивается асматическое давление и не могут развиваться микроорганизмы. При высокой концентрации сахара или соли протоплазма микробов обезвоживается за счет разности парциального давления и плазмолиза.

Также квашение основано на консервирующем действии молочной кислоты или спирта, которые образуются в продуктах при молочнокислом и спиртовом брожении. При квашении вносят 2-5% соли для усиления для усиления плазмолиза клеток, что способствует переходу сока (сахара) в рассол.

В кислой среде гнилостные бактерии не развиваются. Этиловый спирт накапливается в виноградных и плодово-ягодных винах в результате дрожжевой деятельности. Замечено, что накопление в вине спирта более 20% приводит к гибели микроорганизмов (дрожжей, плесеней)[7].

Список литературы

1. Гусев М.В., Минаева Л.А. Микробиология. – М.: Изд-во МГУ, 1992.

2. Кругляков Г.Н., Круглякова Г.В. Товароведение продовольственных товаров: Учебник. ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 1999.

3. Мудрецова-Висс К.А. Микробиология. – М.: Экономика, 1985.

4. Цапалова И.Э. Наследственность микроорганизмов и ее роль в формировании ассортимента и качества пищевых продуктов. – Новосибирск, 1995.

5. Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987.

[1] Цапалова И.Э. Наследственность микроорганизмов и ее роль в формировании ассортимента и качества пищевых продуктов. – Новосибирск, 1995. С. 7.

[2] Гусев М.В., Минаева Л.А. Микробиология. – М.: Изд-во МГУ, 1992. С. 90-105.

[3] Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987. С. 90.

[4] Мудрецова-Висс К.А. Микробиология. – М.: Экономика, 1985. С. 275.

[5] Гусев М.В., Минаева Л.А. Микробиология. – М.: Изд-во МГУ, 1992. С. 133-135.

[6] Кругляков Г.Н., Круглякова Г.В. Товароведение продовольственных товаров: Учебник. Ростов п/Д: Издательский центр «МарТ», 1999. С. 47.

[7] Кругляков Г.Н., Круглякова Г.В. Товароведение продовольственных товаров: Учебник. ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 1999. С. 37-38.