Найважливіші біохімічні процеси, збудниками яких є мікроорганізми

ЦЕНТРАЛЬНА СПІЛКА СПОЖИВЧИХ ТОВАРИСТВ УКРАЇНИ

(УКООПСПІЛКА)

Хмельницький кооперативний торговельно-економічний інститут

Розглянуто та затверджено на засіданні

кафедри товарознавства та торговельного підприємництва

протокол № __ від _______ 20__ р.

Завідувач кафедри

_____________ к. т. н., доцент Кулик В. М.

Спеціальність: 6.140101 Готельно-ресторанна справа Курс I

Дисципліна: "Мікробіологія"

Лекція 4

Лекція-презентація

Тема. Найважливіші біохімічні процеси, збудниками яких є мікроорганізми

Навчальна мета: Розкрити сутність основних біохімічних процесів, викликаних діяльністю бактерій, значення даних процесів у практичній діяльності, дати поняття про основні принципи будови та життєдіяльності бактерій.

Виховна мета: Формувати якості особистості студентів та пізнавальний інтерес.

Розвивальна мета: Спонукати до пізнавальної, наукової, творчої діяльності; розвивати самостійність та творче мислення.

Методична мета: Використання презентації на занятті як засобу активізації процесу навчання.

План лекції

1. Спиртове бродіння.

2. Молочнокисле бродіння та його використання у харчовій промисловості.

3. Аеробні процеси та їх значення.

Технічні засоби навчання:

  • Інтерактивна дошка
  • Мультимедійний проектор
  • Персональний комп’ютер

Наочність:

  • Тематична презентація в Power Point.
  • Опорний конспект до лекції №4
  • Уривок навчального відефільму

Міждисциплінарні зв’язки:

Забезпечувані: Товарознавство продовольчих товарів, Санітарний контроль,

Забезпечуючі: харчова хімія, хімія, екологія.

Література:

Основна

1. Рудавська Г. Б., Демкевич Л. І. Мікробіологія: Підручник. –-ге вид., перероблене та доповнене. –К.: Київ. нац. торг.-екон. ун-т, 2005. –с.

. Малигіна В. Д. Мікробіологія та фізіологія харчування. Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів І –ІV рівня акредитації. –К.: Кондор, 2009. –с.

. Білоруська Й. С. Основи мікробіології, санітарії та гігієни: Навч. Посібник. –К.: Техніка, 2003. –с.

Додаткова

4. Векірчик К. М. Мікробіологія з основами вірусології: Підручник. –К.:Либідь, 2001.- 312 с.

. Азаров В. М. Основи мікробіології та санітарії: Підручник. –Москва: Економіка, 1986. –с.

1. Спиртове бродіння.

Під час обміну речовин мікроорганізми здійснюють різноманітні хімічні реакції, продуктами яких є корисні речовини: спирти, кислоти, естери, вітаміни, ферменти і ін. Ці продукти мікробної діяльності використовуються в медицині, промисловості, побуті, Багато біохімічних процесів, що викликаються мікроорганізмами, використовують у харчовій і легкій промисловості; у кругообігу елементів у природі мікроорганізмам надається основна роль.

Поглиблене вивчення можливостей біохімічної діяльності мікроорганізмів дозволяє краще використовувати корисні для людини мікроби, ефективніше здійснювати технологічні процеси, що протікають з їх участю. З іншого боку, глибше розкривається сутність перетворень, що здійснюються мікроорганізмами в харчовій сировині й продуктах її переробки через спонтанний розвиток мікроорганізмів. Це дозволяє ефективніше вести боротьбу зі збудниками псування продуктів.

Як було доведено раніше, багато мікроорганізмів здатні існувати в середовищі, що не містить вільного кисню. Такий тип дихання має назву бродіння. Саме бродіння є найбільш важливим у практичному відношенні.

Залежно від речовин, що переважно накопичуються під час бродіння, розрізняють спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, маслянокисле бродіння та ін.

Спиртове бродіння — анаеробний процес перетворення цукру мікроорганізмами з утворюванням етилового спирту і вуглекислого газу.

Спиртове бродіння застосовується для виноробства, пивоваріння, хлібопечення, отримання етилового спирту, виробництва дієтичних кисломолочних продуктів і інших технологічних процесів. Воно полягає в перетворенні вуглеводів у етиловий спирт, вуглекислий газ і інші речовини.

Типовими представниками мікроорганізмів —збудників спиртового бродіння є справжні дріжджі. За певних умов слабке спиртове бродіння можуть викликати деякі, бактерії і плісняві гриби.

Доведено, що спиртове бродіння є поетапне перетворення вуглеводів з утворенням етилового спирту, вуглекислого газу і інших речовин.

Найлегше дріжджами зброджуються прості вуглеводи —- фруктоза, глюкоза. Дисахариди — сахароза, мальтоза — також можуть зброджуватися, але заздалегідь вони гідролізуються дріжджами на складові моносахариди. Молочний цукор — лактоза зброджується лише деякими дріжджами, що рідко зустрічаються. Складні вуглеводи (крохмаль, глікоген і ін.) дріжджі не зброджують. У практиці такі вуглеводи заздалегідь гідролізуються кислотними або ферментативними методами, після чого вони стають доступними для дріжджів.

Дріжджі широко розповсюджені в природі. Вони зустрічаються на фруктах, овочах, ягодах, винограді, у ґрунті, повітрі особливо влітку Розрізняють культурні й дикі дріжджі, Культурними називають дріжджі, що мають технічне використання завдяки позитивним властивостям. Наприклад, дріжджі, що застосовують у технології пивоваріння, володіють здатністю добре освітлювати пиво, надавати йому приємного смаку і аромату; винні дріжджі забезпечують особливий букет; хлібні відрізняються активним розмноженням і здатністю добре розпушувати тісто. Дикі дріжджі мають слабшу бродильну здатність і утворюють речовини, що додають неприємний присмак і запах харчовим продуктам.

Сумарне рівняння спиртового бродіння має вигляд:

С6Н1206 2С2Н5ОН+ 2С02

Сумарне рівняння спиртового бродіння не розкриває усієї складності процесів перетворення цукру на спирт і. вуглекислий газ. Окрім головних продуктів бродіння, утворюються у невеликій кількості побічні продукти: янтарна, оцтова кислоти, гліцерин, оцтовий альдегід, сивушні масла (суміш ізомерів спиртів — амілового, ізобутилового, бутилового і ін.), а також сполуки, наявність яких обумовлює специфічний смак і аромат вина, пива і інших напоїв.

Умови, за яких здійснюється спиртове бродіння, суттєво впливають на продукти реакцій. Нормально бродіння здійснюється у кислому середовищі (рН 4—5), у лужному середовищі, окрім спирту, утворюється оцтова кислота. Наявність гідросульфіту натрію у бродильному субстраті призводить до утворення, окрім спирту, значної кількості гліцерину і оцтового альдегіду .

Найбільш активно спиртове бродіння протікає за температури 25-40°С.

Залежно від поведінки дріжджів за різної температури, їх поділяють на дві групи: дріжджі верхового і низового бродіння.

Бродіння, що викликається верховими дріжджами, здійснюється швидко і бурхливо за температури 20—28°С. На поверхні бродильного субстрату утворюється багато піни і пухирців вуглекислого газу, під дією яких дріжджі опиняються в поверхневому шарі субстрату Під час закінчення бродіння дріжджі осідають на дно субстрату, утворюючи рихлий осад. Дріжджі верхового бродіння використовують у хлібопеченні та виробництві спирту

Бродіння, що викликається низовими дріжджами, здійснюється повільніше і спокійніше, особливо, якщо воно здійснюється за температури 6—10°С. Вуглекислий газ утворюється поволі, піни обмаль, дріжджі швидко осідають на дно, утворюючи компактний осад. Дріжджі низового бродіння використовують у виробництві пива і вина.

Важливою галуззю харчової промисловості є виробництво хлібопекарних дріжджів. Клітини дріжджів, що зростали в рідкому, високопоживному середовищі, в умовах аерації, відділяють фільтруванням, промивають і спресовують у вигляді брикетів різної маси.

Дріжджі здатні піддавати псуванню різні товари: плоди, ягоди, соки, м'ясо, рибу і інше. У виробництві пива суттєву шкоду завдають дикі плівчасті дріжджі, а також молочнокислі, пропіоновокислі і інші мікроби, що псують продукцію бродіння і призводять до значних економічних збитків.

2. Молочнокисле бродіння та його використання у харчовій промисловості.

Молочнокисле бродіння — це анаеробне перетворення цукру молочнокислими бактеріями з утворенням молочної кислоти. Поряд із основними продуктами бродіння в більшій чи меншій кількості утворюються й побічні.

За характером бродіння розрізняють дві групи молочнокислих бактерій: гомоферментативні і гетероферментативні.

Гомоферментативні бактерії утворюють переважно (не менш 85— 90 %) молочну кислоту і обмаль побічних продуктів. Цей тип молочнокислого бродіння характеризується наступним рівнянням:

С6Н1206 = 2СН3СНОНСООН

Гетероферментативні бактерії менш, активні кислотоутворювачі. Поряд із молочною кислотою вони утворюють значну кількість інших речовин — кислоти (переважно оцтову), етиловий спирт, вуглекислий газ; деякі, крім того, продукують ацетон і діацетил. Діацетил має приємний запах, тому продукти, що містять відповідні бактерії, мають характерний приємний аромат.

Залежно від умов розвитку (рН, температури, ступеню аеробності і ін), характер кінцевих продуктів бродіння може змінюватися в одного й того самого виду молочнокислих бактерій, тому різкої межі між гомоферментативними і гетероферментативними бактеріями немає.

Гомоферментативні молочнокислі бактерії є анаеробами або мікроа-ерофілами. Вони нерухомі, спор не утворюють, грампозитивні, добре витримують висушування, досить вимогливі до живильного середовища, бо потребують вільні амінокислоти і вітаміни для нормального існування.

Серед молочнокислих мікроорганізмів зустрічаються як коки, так і палички, усі вони стійкі до кислого середовища. Паличкоподібні форми утворюють до 2—3 % кислоти, коки — до 1—2 %. Під час бродіння з вуглеводів утворюється переважно молочна кислота і мінімальна кількість побічних продуктів.

Хімізм молочнокислого бродіння схожий зі спиртовим бродінням. Зброджуванню піддаються як моносахариди, так і дисахариди, складні вуглеводи зброджуванню не піддаються, бо молочнокислі бактерії не мають відповідних ферментів. Серед молочнокислих бактерій зустрічаються мезофіли, термофіли і психрофіли, що не припиняють розвитку за температури 5°С і нижче. Деякі молочнокислі бактерії здатні до слизоутворення.

Доведено, що молочнокислі бактерії мають антагоністичні відносини до багатьох сапрофітних і хвороботворних мікроорганізмів завдяки утворенню кислот і антибіотичних сполук.

У природі молочнокислі бактерії зустрічаються на рослинах, овочах, фруктах, ґрунті, повітрі, продуктах харчування. У великій кількості вони містяться у травному тракті людини і тварин.

Найбільш важливими в технічному відношенні представниками гомоферментативних молочнокислих бактерій є наступні: молочнокислий стрептокок, вершковий стрептокок, термофільний стрептокок, болгарська, сирна, ацидофільна, молочнокисла паличка і ін.

Молочнокислий стрептокок — мезофільні коки, що зустрічаються у молоці і здатні зброджувати його, оптимальна температура розвитку 25—30°С, максимальна —- 40°С, мінімальна — 10°С і іноді нижче. В умовах оптимальної температури здатні зброджувати молоко за 10-12 годин, накопичують до 1% молочної кислоти у субстраті, Молочнокислий стрептокок використовують у виробництві сметани, сиру, кефіру.

Вершковий стрептокок — специфічні клітини, що утворюють довгі ланцюжки. Цей мезофільний стрептокок є більш слабким кислотоутворювачем, краще розвивається за температури 25—30°С, застосовується у виробництві сметани (завдяки здатності утворювати сметаноподібні згустки) і інших молочних продуктів поряд з молочнокислим стрептококом.

Ацидофільні палички — активні кислотоутворювачі, тому їх застосовують для прискорення утворювання згустку, накопичення кислоти і одержання антибіотичних речовин з метою підвищення лікувальних властивостей кисломолочних продуктів. Деякі з них здатні до слизеутворення.

Дельбрюківські палички — термофільні короткі палички, не здатні зброджувати лактозу, тому у молоці не розвиваються. Оптимум розвинення 45— 50°С, утворюють у субстраті до 2,5 % кислоти. Застосовуються у виробництві молочної кислоти і хлібопеченні.

Молочнокислі палички — невеликі, з'єднані попарно, або у вигляді ланцюжків палички, температурний оптимум близько 30°С. Накопичують до 1,3% кислоти. Це основний збудник бродіння підчас сквашування овочів і силосування кормів.

Відмінною особливістю ацидофільних бактерій, що обумовлюють лікувальні властивості молочнокислих продуктів, є здатність бактерій пригнічувати розвинення кишкових бактерій, збудників дизентерії, паратифозної та інших груп мікроорганізмів.

Гетероферментативні молочнокислі бактерії є факультативними анаеробами. Залежно від умов бродіння і видів збудників під час зброджування утворюються окрім молочної кислоти янтарна кислота, оцтова, етиловий спирт, водень, вуглекислий газ і ін.

Значне практичне використання мають такі види гетерофермента-тивних видів молочнокислих бактерій.

Капустяна паличка — збудник бродіння під час сквашування огірків і капусти. Утворює до 1,2% молочної кислоти. Поряд із іншими речовинами продукують багато ароматичних речовин, що надають продуктам специфічного смаку й аромату.

Ароматоутворюючі молочнокислі стрептококи також застосовуються у виробництві молочнокислих продуктів завдяки здатності надавати молочним продуктам приємного смаку та аромату .

З нетипових молочнокислих бактерій заслуговують на увагу представники роду лейконосток. Це подовжені коки розміром 0,8-1 мкм, що створюють ланцюжки, вони здатні утворювати оболонку зі слизу Добре витримують підвищення температури до 88°С. Лейконосток здатний псувати вина, знижувати кислотність і перетворювати їх у суцільну слизову масу.

Молочнокислі бактерії з обох груп здатні псувати й інші товари. Завдяки можливості існувати в анаеробних умовах, вони бурхливо розмножуються на продуктах, що загорнуті в плівки, утворюють слиз на м'ясі, що упаковане в вакуумну плівку Багато з них викликають бродіння соків; завдяки термостійкості, зберігаються під час пастеризації і псують пастеризовані продукти.

. Аеробні процеси та їх значення.

Аеробні процеси — це процеси дихання мікроорганізмів, що здійснюються обов'язково за наявністю кисню. Більшість аеробних мікроорганізмів окислює органічні речовини до С02 і Н20. Однак деякі мікроорганізми окислюють органічні речовини лише частково, продуктами цього окислення переважно є кислоти. Інколи процеси неповного окислення умовно називають бродіннями. Деякі з цих речовин використовують у харчовій промисловості і народному господарстві — оцтова, лимонна кислоти та ін.

За природних умов ці речовини піддаються подальшому глибокому окисленню до С02 і Н20, тобто здійснюється повна мінералізація.

Оцтовокисле бродіння

Оцтовокисле бродіння — це окислення бактеріями етилового спирту у оцтову кислоту. Бродіння є важливим у практичному відношенні, бо дозволяє одержувати оцтову кислоту у промислових кількостях з дешевої сировини. Оцтова кислота використовується у харчовій та хімічній промисловості, у сільському господарстві та інших галузях.

Здійснюється оцтовокисле бродіння у два етапи: спочатку утворюється оцтовий альдегід, який потім окислюється у оцтову кислоту:

СН3СН2ОН + 02 2СН3СНО+ 2Н20

етиловий спирт оцтовий альдегід

СН3СНО + 02 2СН3СООН

оцтовий альдегід оцтова кислота

Сумарне рівняння має вигляд :

сн3сн2он + о2 СН3СООН+Н20

етиловий спирт оцтова кислота

Збудники оцтовокислого бродіння зустрічаються на рослинах, стиглих фруктах, ягодах, часто сумісно з дріжджами і багатьма іншими мікроорганізмами. Це малорухомі й нерухомі палички, не здатні до спороутворення, стійкі до кислого середовища, деякі з них витримують концентрацію оцтової кислоти до 7—11%, потребують складних живильних субстратів, оптимальна температура їх розвинення 20—34°С.

Важливими представниками цієї групи є оцтова паличка, що здатна накопичувати до 6% кислоти у субстраті, орлеанська оцтовокисла паличка, що накопичує до 9,5 % кислоти і розвивається на слабкому вині, а тому використовується для одержання винного оцту, а також паличка Щютценбаха, яка утворює суцільну поверхневу плівку і накопичує до 11,5% оцтової кислоти.

Промислове одержання харчового оцту здійснюється завдяки розвитку оцтовокислих бактерій на слабкому розчині етилового спирту з примусовою аерацією.

Оцтовокислі бактерії здатні зброджувати не тільки етиловий спирт, а й інші первинні спирти, перетворюючи їх у відповідні кислоти. Вони здатні також окислювати вторинні спирти в кетони. ,

Промислове значення має окислення шестиатомного спирту сорбіту в сорбозу, яка потім використовується для одержання аскорбінової кислоти (вітаміну С). Вихід сорбози складає 80—90 % від початкової сировини.

Якщо оцтовокислі бактерії потрапляють на харчові продукти, вони псують їх. Вони є шкідниками виробництва спирту, дріжджів, молочнокислих товарів тощо.

Лимоннокисле бродіння

Лимоннокисле бродіння — це окислювальний аеробний процес перетворення моносахаридів у лимонну кислоту за допомогою пліснявих грибів. Сумарне рівняння цього процесу має вигляд:

С6Н1202 + 302 2С6Н807 + 4Н20
гексоза лимонна кислота

До лимоннокислого бродіння здатні різні плісняві гриби, але найбільш продуктивними є плісняві гриби з роду аспергіліус нігер. Ці плісняві гриби утворюють переважно лимонну кислоту і в невеликій кількості інші кислоти (оцтову, янтарну, фумарову, яблучну, щавлеву і ін.).

Раніш лимонну кислоту отримували з цитрусових плодів. Це був дуже дорогий і неефективний спосіб, бо плоди містять лише 7-9% лимонної кислоти.

У наш час лимонну кислоту одержують за технологією, запропонованою російськими вченими В. С. Буткевичем і С. П. Костичевим. Основною сировиною за цією технологією є меляса —чорна патока. Розчин її містить біля 15 % цукру, саме на цьому розчині здійснюється розвинення пліснявих грибів при температурі 30-32°С за наявності деяких живильних речовин. Процес триває 6-8 днів, а вихід лимонної кислоти досягає 60-70 % від витрат цукру. Лимонну кислоту піддають очищенню і кристалізації. Лимонна кислота використовується у кондитерських виробах, безалкогольних напоях, сиропах, у кулінарії, медицині та інших галузях.

7

Найважливіші біохімічні процеси, збудниками яких є мікроорганізми