Классификация уксуснокислых бактерий

Использование человеком

Основная польза от брожения — это превращение, например, сока в вино, зерна и других исходных продуктов в пиво, а углеводов в диоксид углерода при приготовлении хлебного теста. Широко используется человеком также молочнокислое брожение для приготовления кисломолочных продуктов, квашения овощей и приготовления силоса.

Поскольку фрукты сбраживаются в своем натуральном состоянии, брожение как процесс изменения пищевых продуктов появилось раньше человеческой истории. Однако люди с некоторых пор научились контролировать процесс брожения. Есть веские доказательства того, что люди сбраживали напитки в Вавилоне около 5000 г. до н. э., в Древнем Египте около 3000 г. до н. э., в доиспанской Мексике около 2000 г. до н. э. и в Судане около 1500 г. до н. э. Также существуют данные о дрожжевом хлебе в Древнем Египте около 1500 г. до н. э. и сбраживании молока в Вавилоне около 3000 г. до н. э. Китайцы, вероятно, первыми стали сбраживать овощи.

По Штейнкраузу (Steinkraus; 1995), брожение пищи выполняет пять главных задач:

1. Обогащение видов пищи разнообразием вкусов, ароматов и текстуры
2. Сохранение существенного количества пищи с помощью молочной кислоты, алкоголя, уксусной кислоты и щелочного брожения
3. Биологическое обогащение пищи протеинами, важными аминокислотами, важными жирными кислотами и витаминами
4. Детоксификация в процессе брожения пищи
5. Уменьшение времени и затрат на приготовление пищи

У брожения есть несколько преимуществ, важных для приготовления или сохранения пищи. В процессе брожения можно получать важные питательные вещества или устранять непитательные. С помощью брожения пищу можно дольше сохранять, поскольку брожение может создать условия, неподходящие для нежелательных микроорганизмов. Например, при квашении кислота, получаемая из доминирующей бактерии, препятствует росту всех других микроорганизмов.

Значение уксуснокислых бактерий

Многим виноделам известна ситуация, когда из-за попадания в сосуд воздуха на поверхности напитка образовывалась пленка.

Данный процесс полностью портит вкус и свойства вина, делая его непригодным для употребления, а спровоцирован он бактериями уксуснокислого брожения.

Сами по себе такие микроорганизмы не представляют опасности и всегда находятся в вине и пиве, вред они начинают наносить только при контакте с воздухом.

Но сегодня и это, казалось бы, не очень хорошее свойство используют на благо человечества в определенных отраслях промышленности.

Способности микроорганизмов

Уксуснокислые бактерии в реальности задействованы в процессах не только скисания вин. Они способны окислять такие спирты, как этиловый, пропиловый и бутиловый, образовывая из них уксусную, пропионовую и масляную кислоты соответственно.

То есть любой напиток с содержанием такого спирта может быть испорчен благодаря жизнедеятельности бактерий.

Не стоит опасаться только за жидкости, содержащие метиловый и высшие спирты, поскольку они при окислении образуют ядовитый для микроорганизмов продукт.

Особенности процесса

Само окисление спиртов под воздействием уксуснокислых бактерий представляет собой дегидрирование. Весь процесс можно выразить в химической формуле, где изначально берется этиловый спирт, превращаемый под воздействием кислорода в уксусную кислоту, воду и выделяемую энергию:

СН3СН2ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + энергия

Если спирта в среде находится слишком много, то результатом процесса будет образование только кислоты и минимальный выброс энергии, чего недостаточно для дальнейшей жизнедеятельности бактерий. Именно поэтому им приходиться окислять как можно большее количество спирта, что сближает окисление с другими анаэробными процессами, но оставляет его индивидуальным по определенным характеристикам.

Отличительной чертой воздействия уксуснокислых бактерий всегда остается образование на поверхности субстрата пленки.

Работа уксуснокислых бактерий и их свойства зависят от разновидности микроорганизмов и могут менять цвет, толщину, крепость и другие характеристики. На сегодняшний день открыто уже огромное количество видов этих типичных аэробов.

В жизни уксуснокислые бактерии встречаются в воздухе, почве, любом продукте брожения, на поверхности ягод и плодов, воды и так далее.

Гомоферментативное молочнокислое брожение

Гомоферментативное молочнокислое брожение представляет собой энергетическую сторону образа жизни группы гомофермен-тативных молочнокислых бактерий. Черты древности этой группы видны не только в процессе добывания ее представителями энергии, но и в других сторонах их метаболизма, о чем будет сказано в разделе, посвященном краткой характеристике этих бактерий.
 

Гомоферментативное молочнокислое брожение, в основе которого лежит гликолитический путь разложения глюкозы, является единственным способом получения энергии для группы эубак-терий, которые при сбраживании углеводов превращают в молочную кислоту от 85 до 90 % сахара среды. Бактерии, входящие в данную группу, морфологически различны. Это кокки, относящиеся к родам Streptococcus и Pediococcus, а также длинные или короткие палочки из рода Lactobacillus. Последний подразделяется на три подрода.
 

Гомоферментативное молочнокислое брожение идентично по химизму реакциям гликолиза в анаэробных условиях.
 

Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacillus и стрептококки. Они могут сбраживать различные сахара с 6 — ю ( гексозы) или 5 — ю ( пентозы) углеродными атомами, некоторые кислоты. Однако круг сбраживаемых ими продуктов ограничен.
 

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.
 

Возникнув как первый, далекий от совершенства энергетический процесс, гомоферментативное молочнокислое брожение не было потом отброшено в процессе эволюции. Наоборот, оно закрепилось и существует сейчас в виде гликолиза у подавляющего большинства прокариот, дрожжей, грибов, а также у высших животных и растений, но только как первый этап более совершенного энергетического процесса, сформировавшегося в результате последующего развития способов получения энергии живыми организмами. Чем объясняется такая судьба гомоферментативного молочнокислого брожения. Вероятно, оказалось выгодным использовать его в качестве первого подготовительного этапа по следующим причинам: 1) высокая энергетическая эффективность ( не путать с энергетическим выходом процесса.
 

Собственно гликолиз — это определенная последовательность ферментативных реакций от углевода до пировиноградной кислоты, поэтому, строго говоря, гликолиз не является синонимом гомоферментативного молочнокислого брожения, но 10 из 11 реакций у этих процессов идентичны.
 

Обратимо функционирующие протонные АТФазы мы находим у первичных анаэробов, получающих энергию в процессе брожения. Обнаружено, что выделение во внешнюю среду молочной и уксусной кислот молочнокислыми бактериями и клостридиями приводит к созданию на ЦПМ протонного градиента. У стрептококков, осуществляющих гомоферментативное молочнокислое брожение, молочная кислота накапливается в клетке в виде аниона, для которого ЦПМ практически непроницаема.
 

Возникнув как первый, далекий от совершенства энергетический процесс, гомоферментативное молочнокислое брожение не было потом отброшено в процессе эволюции. Наоборот, оно закрепилось и существует сейчас в виде гликолиза у подавляющего большинства прокариот, дрожжей, грибов, а также у высших животных и растений, но только как первый этап более совершенного энергетического процесса, сформировавшегося в результате последующего развития способов получения энергии живыми организмами. Чем объясняется такая судьба гомоферментативного молочнокислого брожения. Вероятно, оказалось выгодным использовать его в качестве первого подготовительного этапа по следующим причинам: 1) высокая энергетическая эффективность ( не путать с энергетическим выходом процесса.
 

Окислительно-восстановительные превращения имеют место на двух этапах процесса, именно они приводят к получению клеткой энергии. Это результат того, что процесс замкнут на себя, т.е. субстрат является и источником веществ — доноров электронов и источником веществ — их акцепторов. Все это, вместе взятое, определило судьбу гомоферментативного молочнокислого брожения.
 

Уксуснокислые бактерии

Являются вредной микрофлорой, вызывающей уксусное скисание вина. Уксуснокислые бактерии принадлежат к роду Acetobacter. Они имеют палочковидную форму. Клетки короткие, толстые, заключены в капсулу, располагаются в жидкой среде попарно, редко оди­ночно, иногда в виде цепочек.

Некоторые уксуснокис­лые бактерии подвижны. Характеризуются высокой скоростью размножения: при благоприятных условиях из одной клетки за 12 часов может образоваться 17 млн. бактерий.

Свое название уксуснокислые бактерии получили из-за спо­собности окислять этиловый спирт в уксусную кислоту при свободном доступе кислорода воздуха.

Уксуснокислые бактерии легко и быстро размножаются на поврежденных ягодах винограда; попав в сусло, при брожении его они не погибают. Для своего роста и развития они нужда­ются в питательных веществах: углероде, азоте (в основном усваивают его из аминокислот), витаминах. Все уксуснокислые бактерии хорошо используют в качестве источника углерода моносахариды, многоатомные спирты, могут усваивать кислоты, в том числе вырабатываемую ими уксусную кислоту.

Такое явление называется переокислением. Энергию уксуснокислые бактерии получают за счет реакций окисления. Окисление бак­териями этилового спирта в уксусную кислоту сопровождается образованием этилацетата, который придает винам неприятные тона во вкусе и аромате, характерные для уксуснокислого скисания. Из 1 % об. этанола образуется 1 г уксусной кислоты.

Помимо этилового спирта, уксуснокислые бактерии окисля­ют другие одноатомные спирты, а именно: пропиловый спирт — в пропионовую кислоту, бутиловый — в масляную, изоамиловый — в изовалериановую кислоту, а также многоатомные спир­ты— сорбит, глицерин, маннит.

При развитии уксуснокислых бактерий на поверхности вина, виноградного сока, других жидких продуктов переработки вино­града образуются слизистая пленка или пристенное кольцо. Через некоторое время возможно погружение пленки в жид­кость. Характерной особенностью пленки из уксуснокислых бактерий является ее способность всползать на стенки стеклян­ной посуды. Чаще всего бактерии образуют пленку совместно с пленчатыми дрожжами родов Candida, Pichia, Hansenula.

На развитие уксуснокислых бактерий большое влияние ока­зывает температура. Для них благоприятен широкий диапазон: от 10 до 35 °С. Бактерии сохраняются при более низких тем­пературах, но погибают при более высоких в зависимости от величины рН, концентрации сернистой кислоты и других фак­торов. Так, в столовом вине при отсутствии кислорода клетки вида Acetobacter aceti погибают в течение 10 минут при температуре 50 °С.

С повышением крепости столовых вин активность уксусно­кислых бактерий снижается, однако при температуре 20—25°С бактерии способны развиваться и подвергать скисанию вина крепостью 14—16% об.

Уксуснокислые бактерии чувствительны к SO2: при содер­жании его в количестве 125—150 мг/л жизнедеятельность бак­терий приостанавливается при температуре 15—18 °С только на 10 дней; при введении в виноматериал S02 в количестве 50 мг/л в анаэробных условиях они теряют свою жизнедеятель­ность при температуре 10°С и ниже на 5—10-е сут, а при 28— 35 °С — на несколько часов. Для инактивации всех видов уксус­нокислых бактерий необходимо сульфитировать вина до содер­жания в них общего количества S02 не менее 175 мг/л.

Уксуснокислые бактерии развиваются в вине, соках, слабо­алкогольных напитках, в не полностью долитых или недоста­точно плотно закрытых емкостях, при пористой клепке бочек, при брожении мезги, в таре с остатками вина. Вино, в котором брожение закончилось, надо хранить без доступа воздуха.

При хранении вин в металлических и железобетонных емкостях, заполненных ниже установленных норм (недолитых), рекомендуется использовать герметизирующий состав СВС с 2% метабисульфита калия. Производство виноградных соков и напитков на их основе базируется на использовании пасте­ризации — кратковременного нагрева продукта в бескислород­ных условиях при температуре 55—75 °С и выше. В целях про­филактики рекомендуется периодически производить дезинфек­цию помещений, тары и коммуникаций.

Пищевые продукты, получаемые с использованием брожения (по регионам)

• По всему миру: дрожжевой хлеб, спирт, вино, уксус, сыр, йогурт, пиво, сидр
• Азия
  • Индия: achar, gundruk, индийские пикули, идли
  • Юго-Восточная Азия: asinan, bai-ming, belacan, burong mangga, dalok, jeruk, кимчхи, рыбный соус, leppet-so, miang, мисо, nata de coco, naw-mai-dong, pak-siam-dong, paw-tsaynob в снегу (雪裡蕻), саке, seokbakji, соевый соус, сычуаньская капуста (四川泡菜), tai-tan tsoi, такуан, tsa tzai, цукэмоно, yen tsai (醃菜), пахучий соевый творог, некоторые виды чая
  • Центральная Азия: кумыс (кобылье молоко), кефир, шубат (верблюжье молоко), айран
• Африка: семена гибискуса, острый перцовый соус, lamoun makbouss, mauoloh, msir, mslalla, oilseed, огили, огири, гарри
• Америка: сыр, маринованные овощи, квашеная капуста, семена люпина, семена масличных культур, шоколад, ваниль, табаско, квашеная рыба, рыбьи головы, морж, тюлений жир, птица (в эскимосской кухне)
• Ближний Восток: мацони, kushuk, маринованные лимоны, айран, mekhalel, тан, торси, tursu
• Европа: сыр, квашеная капуста, кисломолочные продукты, такие как творог, кефир и простокваша, айран, мацони, квашеная рыба, сюрстрёмминг
• Россия: простокваша, сметана, квас, квашеная капуста, мочёные яблоки, мочёные сливы, мочёные груши, мочёные арбузы, мочёный виноград, бочковые солёные огурцы, солёные томаты, солёные грибы, брага
• Регионы Арктической зоны: копальхен

Попытки классификации

Перечислить все попытки систематики бактерий сложно. С помощью различных таблиц, схем градация бактерий проводится по особенностям их физиологии, физическим свойствам, способности к фотосинтезу, патогенности и пользе относительно жизнедеятельности людей.

Кислотоустойчивые организмы

Одно из первых мест любой классификационной таблицы сегодня занимает систематика с выявлением кислотоустойчивых бактерий. Это способность их окрашиваться по Грамму, не меняя полученную окраску при обработке этанолом. Эта биологическая способность позволяет проводить систематику по строению клеточной стенки. Так, бактерии, структура оболочки которых содержит много липидов, остаются кислотоустойчивыми к воздействию этанола. Кислотоустойчивые бактерии называют еще грамположительными. Выявление и умение дифференцировать болезнетворных бактерии по их кислотоустойчивости имело большое значение для дифференциальной диагностики возбудителей заболеваний, в том числе, туберкулеза.

При знакомстве ближе, микобактерии туберкулеза представляют собой палочковидные бактерии прямой или изогнутой формы. Выявление большого количества воска и липидов в составе оболочки объясняет их кислотоустойчивость. Характерен для диагностики туберкулеза медленный рост бактерий на специальных питательных средах и образование пигментов.

Выявление палочковидных микобактерий туберкулеза проводится главным образом из мокроты, но возможно и из других биологических выделений пораженных туберкулезом органов.

С туберкулезом обычно каждый встречается за всю жизнь не раз. Но только те, кто имеет низкий иммунитет и слабую резистентность, заболевают туберкулезом.

Уксуснокислые бактерии

Существует биологический вид бактерий, которые являются уксуснокислыми. Они окисляют спирт до уксусной кислоты при участии кислорода. Луи Пастером было доказано, что в стерильных условиях уксус из вина не образуется. Именно жизнедеятельность уксуснокислых бактерий имеет при этом самое прямое значение. Они представляют собой цепочку клеток цилиндрического вида.

Уксуснокислые бактерии

При исследовании проб, взятых с забраживающего сусла для вин, около трети микроорганизмов составили уксуснокислые. Даже на еще висящих гроздьях винограда уже есть уксуснокислые бактерии. Чтобы от них избавиться, нужно ограничить доступ воздуха к вину. При отсутствии кислорода в наполненных до предела бочках, уксуснокислые бактерии не имеют возможности образовывать пленку и не могут размножаться.

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение осуществляется в большинстве случаев облигатными анаэробами, т. е. организмами, способными существовать только в бескислородной среде.

В ходе маслянокислого Б. образуются не только масляная к-та, но в некоторых случаях и весьма значительные количества этилового спирта, молочной н уксусной кислот, а также газообразного водорода и углекислого газа. С помощью маслянокислого Б. осуществляется разложение органических веществ в условиях недостатка или полного отсутствия кислорода (болота, заболоченные места). Большое промышленное значение имеет маслянокислое Б. пектиновых веществ, происходящее при замочке стеблей льна, конопли и получении волокон. Вместе с тем деятельность бактерий, осуществляющих этот вид Б., необходимо предотвращать при приготовлении различного рода пищевых продуктов во избежание ухудшения вкуса и порчи последних (напр., прогоркание сливочного масла, силоса и т. п.).

Спиртовое, молочно- и маслянокислое Б.— основные типы Б.; остальные многочисленные виды Б. представляют собой либо различные их сочетания, либо осуществляются на базе тех или иных продуктов, возникающих в ходе основного вида Б. Так, в результате уксуснокислого брожения происходит окисление этилового спирта при участии кислорода воздуха. Этот вид Б. осуществляется специфическими уксуснокислыми бактериями. Суммарное уравнение уксуснокислого Б.:

CH₃CH₂OH + O₂ = CH₃COOH + H₂O.

По исчерпании запасов спирта бактерии окисляют образованную им уксусную к-ту до углекислого газа и воды.

К Б., осуществляющемуся с участием О₂, относится глюконовокислое брожение — образование глюконовой к-ты из глюкозы:

C₆H₁₂O₆ + H₂O + O₂ → CH₂OH(CHOH)₄COOH + H₂O₂.

Оно вызываемся нек-рыми бактериями и плесневыми грибами. Глюконовая к-та — ценное соединение, широко применяемое в медицине и фарм, промышленности (см. Глюконовая кислота).

Лимоннокислоe брожениe осуществляется нек-рыми представителями плесневых грибков; особенно эффективны отдельные штаммы Aspergillus niger. Исходным продуктом служит Пировиноградная к-та, превращение к-рой идет одновременно в двух направлениях. Часть ее окисляется в уксусную, тогда как другая, присоединяя углекислоту, образует щавелевоуксусную к-ту. При конденсации уксусной и щавелевоуксусной кислот образуется лимонная к-та. Помимо лимонной к-ты, при лимоннокислом Б. образуются бутиловый спирт, ацетон, а также этиловый спирт, углекислый газ и водород.

Бутанолово-ацетоновое брожение осуществляют анаэробные бактерии Clostridium acetobutylicum. Главные продукты, образующиеся в ходе этого вида Б.,— н-бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, углекислота, водород. Ацетоуксусная к-та (CH₃COCH₂COOH) и образующийся при ее декарбоксилировании ацетон (CH₃COCH₃), а также β-оксимасляная к-та составляют группу так наз. ацетоновых тел (см. Кетоновые тела), которые накапливаются в крови и моче животных при различных патологических состояниях и заболеваниях (диабет, голодание). В нормальных же условиях эти соединения окисляются с образованием безвредных для организма углекислоты и воды.

Высокая экономическая эффективность, чистота получаемых при Б. ценных продуктов лежат в основе все более широкого использования Б. в самых различных отраслях народного хозяйства.

Библиография: Кретович В.Л. Основы биохимии растений, М., 1971; Малер Г. иКордес Ю. Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970; Рубин Б. А. Курс физиологии растений, М., 1971;Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы, пер. с англ., М., 1967. библиогр.; Шапошников В. Н. Техническая микробиология, М., 1948; H a s s i d W. Z. Transformation of sugars in plants, Ann. Rev. plant Physiol., v. 18, p. 253, 1967, bibliogr.

Уксуснокислое брожение

Уксуснокислое брожение известно издавна.
 

Уксуснокислое брожение углеводов наблюдается у Cl.
 

В промышленности уксуснокислое брожение ведут в вертикальных генераторах по непрерывному методу. Генераторы заполняют специальной стружкой или другим наполнителем с большой площадью поверхности, например древесным углем, коксом и др. Раствор спирта подают в генератор сверху, воздух продувают снизу встречным потоком. Находящиеся на поверхности стружек бактерии окисляют спирт до уксусной кислоты.
 

Биохимическая природа уксуснокислого брожения была установлена Пастером в 1862 г., но образование уксусной кислоты из этилового спирта известно с древних времен. Процесс окисления этилового спирта в уксусную кислоту связан с потерей водорода ( дегидрированием) и катализируется ферментом дегидразой.
 

Этот процесс называется уксуснокислым брожением, он происходит при участии вырабатываемого уксусным грибком фермента ( см.) и протекает через ряд промежуточных стадий. Обычно берут вино или пиво, которые при стоянии на воздухе, в результате окисления имеющегося в них спирта, постепенно скисают и превращаются в натуральный уксус.
 

Этот процесс называется уксуснокислым брожением; он происходит при участии вырабатываемого уксусным грибком энзима ( стр. Обычно берут вино или пиво, которые при стоянии на воздухе, в результате окисления имеющегося в них спирта, постепенно скисают и превращаются в натуральный уксус.
 

Этот процесс и называется уксуснокислым брожением.
 

Уксусная кислота ( СНзСООН) образуется при уксуснокислом брожении разбавленных водных растворов этанола. В метаболических процессах участвует как сама кислота, так и ее соли

Особенно важно присутствие уксусной кислоты в форме ацетила в ацетилкоферменте А ( разд.
 

Окислит, вид брожения, в част, уксуснокислое брожение — процесс окисл. Процесс является источником энергии для жизнедеятельности живых организмов.
 

Получают окислением ацетальдегида и др. методами, пищевую У.к. уксуснокислым брожением этанола. Применяют для получения лекарств, и душистых в-в, как растворитель ( напр.
 

Получается уксусная кислота при брожении спирта под влиянием особых бактерий ( уксуснокислое брожение) и в больших количествах при сухой перегонке лиственных пород дерева, а также при гидролизе древесины ( древесных отходов, пней, опилок) всех пород. Уксусная кислота образуется при скисании вина, пива, фруктовых соков и различных других сахарсодержащих веществ.
 

Большой интерес представляет приведенное Бухнером и его сотрудниками21 доказательство, что уксуснокислое брожение спирта определяется деятельностью оксидазы. Эту оксидазу, которая была названа алко-гольоксидазой, можно получить из убитых ацетоном колоний уксуснокислых бактерий. Указанные авторы нашли в обработанных ацетоном уксуснокислых бактериях оксигеназу, пероксидазу и каталазу, и считают возможным, что алкогольоксидаза не является индивидуальным ферментом. Сок, получающийся при отжатии уксуснокислых бактерий под прессом, не оказывает никакого окисляющего действия на спирт в присутствии воздуха. Таким образом, алкогольоксидаза либо разрушается при приготовлении сока, либо, как нерастворимое вещество, остается в остатке после прессования.
 

Получается при сухой перегонке дерева ( древесный уксус); при уксуснокислом брожении спиртовых жидкостей; каталитическим окислением ацеталь.
 

Получается при сухой перегонке дерева ( древесный уксус); при уксуснокислом брожении спиртовых жидкостей; каталитическим окислением ацеталь-дегида, полученного гидратацией ацетилена; окислением этилового спирта; из кетена, получаемого пиролизом ацетона; взаимодействием метанола с СО в присутствии катализаторов.
 

Образуется при сухой перегонке дерева ( древесный уксус); при уксуснокислом брожении спиртовых жидкостей; каталитическим окисление — ацстмльдегида, полученного гидратацией ацетилена; окислением этилового спирта; из кетена, получаемого пиролизом ацетона; взаимодействием метанола с окисью углерода в присутствии катализаторов.