Дрожжевые и дрожжеподобные грибы

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

1. Способы размножения дрожжей и их классификация

2. Автотрофное питание микроорганизмов. Роль автотрофов в круговороте веществ в природе. Примеры

3. Различия в строении клеток бактерий, дрожжей и плесневых грибов

4. Характеристика брожений, вызываемых строгими анаэробами. Их практическое значение

5. Определение качества спор гнилостных бацилл в муке. Значение при оценке качества муки

Список используемой литературы



1.Способы размножения дрожжей и их классификация

Дрожжи относятся к классу сумчатых грибов (Ascomycetes - аскомицетов) к подклассу простейших сумчатых (Protoascales - протоасков). В основу классификации дрожжей положены способ размножения и некоторые физиологические признаки.

Главным систематическим признаком является способность к образованию спор. По этому признаку дрожжи делятся на две группы: спорогенные дрожжи - дрожжи, способные образовывать споры, и аспорогенные дрожжи - не образующие спор, т. е. не имеющие полового размножения.

По мнению некоторых исследователей, вторую группу дрожжей следует отнести к классу несовершенных грибов (Fungi imperfecti - фунги имперфекти), хотя потеря способности к половому размножению вторична, и они могут быть также отнесены к сумчатым грибам.

Классификация спорогенных грибов предложена в 1954 г. В. И. Кудрявцевым. В ее основу положен способ вегетативного размножения. В. И. Кудрявцев предлагает объединить все дрожжи в один порядок одноклеточных грибов (Unicellomycetales - уницелломицетов).

Спорогенные дрожжи он делит на три семейства по признаку вегетативного размножения:

Семейство Saccharomycetaceae (сахаромицетаце) - размножаются почкованием. К этому семейству относятся роды Saccharomyces (сахаромицес), имеющий наибольшее практическое значение, Pichia (пихия), Наsеnulа (ганзенула) и др. (всего 17 родов). Различаются они по форме спор и способу их образования и прорастания.

Семейство Schizosaccharomycetaceae (шизосахаромицетаце) - размножаются делением. К этому семейству относятся два рода: Schizosaccharomyces (шизосахаромицес) и Octosporomyces (октоспоромицес).

Семейство Saccharomycodaceae (сахаромикодаце) - размножение начинается почкованием и заканчивается делением. Главные роды этого семейства Saccharomycodes (сахаромикодес) и Наnsеniаsроrа (ганзениаспора).

Аспорогенные дрожжи классифицируются по системе Ж. Лоддер и Крегера ван Рий, предложенной в 1952 г. В основу классификации положены способность микроорганизмов образовывать ложный мицелий и способность к брожению.

Классифицируют дрожжи по способам их вегетативного размножения (почкование, деление), способности к спорообразованию, а также по физиологическим признакам.

Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет род сахаромицес (Saccharomyces). В этот род входят как природные виды, так и виды, полученные путем селекции. Их называют расами дрожжей. Они различаются способностью сбраживать разные сахара, интенсивностью брожения, количеством образуемого спирта, оптимальной температурой брожения, образованием спор и др.

В пищевой промышленности наиболее широко используют два вида дрожжей рода Saccharomyces: Sacch. cerevisiae и Sacch. ellipsoi-deus, или Sacch. vini.

Сахаромицес церевизиа (Sacch. cerevisiae) имеют круглую или овальную форму клетки. Их используют для получения этилового спирта, а также в пивоварении, квасоварении, хлебопечении. Каждое производство использует свои специфические расы дрожжей, дающие возможность получить конечный продукт с заданными свойствами.

Сахаромицес еллипсоидеус (Sacch. ellipsoideus, или Sacch. vini) имеет клетки эллиптической формы. Этот вид дрожжей используется преимущественно в виноделии. Каждая марка вина производится с использованием специфической расы дрожжей.

Все виды дрожжей рода сахаромицес и некоторые природные дрожжи при спонтанном (самопроизвольном) развитии на пищевых продуктах, содержащих сахар, вызывают их порчу: брожение и прокисание.

Из других родов дрожжей наибольшее значение имеют два: торулопсис (Torulopsis) и кандида (Candida), которые широко распространены в природе, не способны вызвать спиртовое брожение, но вызывают порчу пищевых продуктов, а дрожжи рода кандида имеют к тому же патогенные формы, вызывающие кандидозы слизистой оболочки полости рта, особенно у детей.

Дрожжи рода торулопсис имеют клетки округлой или овальной формы. Эти дрожжи вызывают лишь слабое спиртовое брожение. Отдельные виды этих дрожжей используют при производстве кумыса и кефира.

Дрожжи рода Candida имеют имеют клетки вытянутой, цилиндрической формы, иногда образуют примитивный мицелий. Есть виды, которые могут окислять сахар и этиловый спирт в органические кислоты и являются вредителями при производстве вин, пива, пекарских дрожжей. Они вызывают также порчу квашеных овощей, безалкогольных напитков и многих других пищевых продуктов.

Некоторые виды дрожжей рода кандида использовались в животноводстве и птицеводстве для производства кормового белка, богатого витаминами.

Размножаются дрожжи почкованием, лишь немногие размножаются делением клетки.

Процесс почкования состоит в том, что на клетке появляется бугорок (иногда их несколько), который постепенно увеличивается в размерах. Этот бугорок называют почкой. По мере роста почки между ней и производящей клеткой образуется перетяжка. Канал, соединяющий вновь формирующуюся дочернюю клетку со старой, материнской, клеткой, постепенно сужается и, наконец, молодая клетка отшнуровывается (отделяется). При благоприятных условиях этот процесс длится около двух часов.

Почкованию предшествует ряд последовательно протекающих в клетке биохимических процессов; происходит деление ядра, и одно из образовавшихся ядер вместе с частью цитоплазмы и другими клеточными элементами переходит в молодую клетку.

После завершения процесса почкования молодая клетка часто не отделяется от материнской, а остается на ней. Почкующиеся клетки обычно образуют не одну, а несколько почек.

Вместе с этим может начаться почкование и молодых клеток. Так постепенно образуются скопления из многих соединенных между собой клеток, называемые сростками почкования. В некоторых случаях, особенно на поверхности жидких сред, где клетки дрожжей всегда бывают более вытянуты, такие сростки почкования напоминают мицелий плесневых грибов. Однако это ложный мицелий, представляющий собой тонкую пленку, которая легко разрушается при взбалтывании жидкости. Только отдельные дикие (обитающие в природных условиях) так называемые пленчатые дрожжи образуют на поверхности жидкостей более или менее толстые морщинистые пленки, прочно удерживающиеся при взбалтывании. Такие дрожжи нередко вызывают порчу вина, пива, квашеных овощей.

При неблагоприятных условиях почкование дрожжей замедляется или совсем приостанавливается, а некоторые клетки переходят в состояние покоя.

Покоящиеся клетки (артроспоры) отличаются толстой и плотной, большей частью двухслойной оболочкой, а также значительным содержанием запасных веществ, например жира и гликогена. Они более устойчивы, чем вегетативные клетки, к повышенной температуре и высушиванию.

Попадая в благоприятные условия развития, покоящиеся клетки почкуются, как и обычные вегетативные клетки.

Помимо почкования многие дрожжи размножаются также с помощью спор. Споры образуются внутри клетки и находятся в ней, как в сумке, что и позволяет относить их к сумчатым грибам (аскомицетам). Число спор в клетке разных видов дрожжей различно. Их может быть две, четыре, а иногда восемь и даже двенадцать.

Споры большинства дрожжей округлые или овальные, но у некоторых видов -- игловидные, шляповидные, У многих на поверхности спор имеются различные образования типа выростов, бородавок, ободков и др.

Образование спор у дрожжей может происходить бесполым и половым путями. При бесполом образовании спор ядро клетки делится на столько частей, сколько образуется спор у данного вида дрожжей. Каждое новое ядро окружается цитоплазмой и покрывается оболочкой. Образованию спор половым путем предшествует слияние (копуляция) клеток. У некоторых дрожжей копулируют прорастающие споры.

Споры дрожжей несколько более устойчивы к вредным воздействиям, чем вегетативные дрожжевые клетки, но менее стойки по сравнению с бактериальными спорами. Попав в благоприятные условия, споры прорастают в клетки.

У многих так называемых культурных дрожжей, т. е. культивируемых человеком для производственно-хозяйственных целей, способность к спорообразованию в значительной степени ослаблена, а иногда полностью утрачена (аспорогенные расы).

Такие дрожжи можно вернуть к спорообразованию только принудительным путем. Для этого молодую культуру дрожжей переводят из условий обильного питания в условия голодания. При благоприятной аэрации и температуре дрожжи образуют споры.

Дрожжи, способные к спорообразованию, нередко называют истинными дрожжами, а не образующие спор (аспорогенные) -- ложными дрожжами, или дрожжеподобными организмами.



2.Автотрофное питание микроорганизмов. Роль автотрофов в круговороте веществ в природе. Примеры

Источниками питания микроорганизмов могут служить самые разнообразные вещества. Одни микробы питаются неорганическими соединениями, получая нужные углерод и азот из неорганических веществ, и затем строят из них органические соединения. Такие микроорганизмы называются автотрофными.

Среди автотрофных микробов встречаются такие, которые усваивают углекислый газ, подобно зеленым растениям, с ис­пользованием солнечной энергии (фотосинтез). К ним относятся, например, некоторые пигментные бактерии, зеленые и пурпурные серобактерии. В их клетках находятся пигменты, выполняющие роль хлорофилла зеленых растений.

Некоторые автотрофные микроорганизмы для синтеза нужных органических соединений вместо солнечной энергии используют энергию химических реакций окисления минеральных веществ (хемосинтез). К числу таких микробов принадлежат водородные бактерии, окисляющие водород с образованием воды, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак в азотную кислоту, и др.

Многие микробы в качестве источников питания могут использовать только готовые органические соединения. Эти микроорганизмы называются гетеротрофными.

Среди гетеротрофных микроорганизмов есть такие, которые живут за счет органических остатков животного и растительного мира. Их называют сапрофитами. К ним относятся микроорганизмы, разлагающие различные органические вещества в почве и воде, и микроорганизмы, вызывающие порчу пищевых продуктов. Сапрофитами являются многие бактерии, плесневые грибки и дрожжи.

Большинство сапрофитов использует в качестве источников азота различные белковые вещества, а в отдельных случаях - неорганические азотистые соединения (соли аммония и азотной кислоты).

Часть гетеротрофных микроорганизмов способна развиваться только в живом организме, питаясь его органическими веществами. Такие гетеротрофы называются паразитами. К их числу относятся микроорганизмы - возбудители различных заболеваний человека, животных и растений. Паразиты особенно требовательны к источникам азота, они могут существовать лишь за счет белков того организма, в котором паразитируют.

Все микроорганизмы нуждаются в источниках минеральных веществ, а также витаминов.

Потребность микроорганизмов в минеральных веществах незначительна; достаточно сказать, что 10 млрд. бактериальных клеток содержат всего 1 мг минеральных веществ. Однако без них рост микроорганизмов невозможен.

Многие микроорганизмы получают минеральные элементы (фосфор, серу, калий, магний, железо) из минеральных солей, другие лучше усваивают эти элементы из органических веществ.

Источником микроэлементов (меди, цинка, никеля, марганца и других) для микробов является обычно тот же субстрат, из которого они получают все другие элементы питания.

Вода и прочие питательные вещества служат источником кислорода и водорода.

Для нормального роста микроорганизмы нуждаются в витаминах группы В (B1, В2, В3 и т.д.), С, РР и др. При отсутствии какого-либо витамина в питательной среде у микроорганизмов резко нарушается обмен веществ и рост микробных клеток становится невозможным. Некоторые же микробы могут нормально развиваться на питательной среде, не содержащей витаминов. Они способны сами вырабатывать витамины и накапливать их в своем теле, иногда в очень значительных количествах. Отдельные из таких микробов используются для про­мышленного получения витаминов (В2, В12).

Круговорот веществ в природе и участие в нем микроорганизмов.

Все живое на Земле, происшедшее когда-то из неживой материи и качественно отличающееся от последней, находится в теснейшей связи с мертвой природой. Существует постоянное равновесие и взаимосвязь между живой и неживой природой, происходит беспрерывная цепь превращений вещества и энергии на земной поверхности, беспрерывный процесс созидания и разложения органического вещества. Этот непрерывный процесс составляет малый биологический круговорот, составляющий часть большого, абиогенного (безжизненного) круговорота, который изучается геохимией и геологией.

В биологический круговорот вовлечены атомы всех химических элементов, составляющих живое вещество. Из них особенно важно рассмотреть круговорот углерода, азота, серы и фосфора.

Зеленые растения и автотрофные микроорганизмы строят органические соединения своего тела, пользуясь только минеральными формами углерода (углекислота атмосферы) и минеральными формами азота (аммиачные и азотнокислые соли). Они осуществляют первичный синтез органических веществ на Земле из простых неорганических соединений.

Единственным источником углеродного питания для зеленых растений является СО2 (углекислота). Зеленые растения благодаря солнечной энергии превращают углекислоту, не имеющую никакой энергетической ценности, в углеводы, белки и жиры, имеющие исключительную энергетическую ценность. Все зеленое царство является огромным аккумулятором солнечной энергии, которую оно переводит в скрытую энергию своих сложных органических соединений.

Подсчитано, что зеленые растения ежегодно извлекают из атмосферы 1/50 часть всего количества углекислоты атмосферы. Следовательно, лет через пятьдесят вся углекислота могла бы быть переведена в органические соединения растительных и животных организмов. Исчезновение углекислоты сделало бы невозможной жизнь растений, а следовательно, и животных на Земле. Но в действительности этого не наблюдается. Как известно, содержание углекислоты в атмосфере постоянно и равняется 0,03%. Это постоянство обусловливается тем, что в природе одновременно происходят и обратные процессы - обогащения атмосферы углекислотой. Одновременно с синтезом органического вещества в природе идет и разложение органического вещества до неорганических соединений, таких, как CO2, H2O, NH3, H2S и др.

То же самое надо сказать и в отношении азота. Растения не могут усваивать свободный азот из атмосферы и азот, связанный в органических соединениях. Они усваивают только минерализованные азотные соединения - аммонийные и азотнокислые соли. В пахотном слое 1 га почвы (подзола) содержится 6000 кг азота, но усвояемые формы для растений составляют только 1%. Такое количество усвояемого азота не обеспечило бы и одного хорошего урожая.

Таким образом, жизнь на Земле возможна только при непрерывном разложении органического вещества, синтезированного растениями и животными. Эта грандиозная переработка всех отмерших остатков растительного и животного царства осуществляется микроорганизмами. В ходе своей жизнедеятельности они производят минерализацию органических веществ - белков, жиров, углеводов - с образованием в конечном итоге углекислоты, воды, аммиака, нитратов, неорганических соединений серы и фосфора, усвояемых растениями. Эти вещества вовлекаются в новый круговорот. Чем энергичнее протекают процессы разложения органических веществ, тем больше развивается органическая жизнь, быстрее осуществляется круговорот веществ в природе. Этот беспрерывный круговорот жизни, говорит академик В. Л. Омелянский, эта вечная смена живых веществ на земной поверхности будет безостановочно продолжаться до тех пор, пока солнце посылает нам свои щедрые дары в виде тепла и света.

Заслуга выяснения роли микробов - этих бесконечно малых существ - в превращениях органического вещества, роли посредников между живой и мертвой природой принадлежит французскому ученому Луи Пастеру, основоположнику науки о микробах. В изучении процесса круговорота веществ имеют большое значение работы выдающегося русского микробиолога С. Н. Виноградского (1856-1953), В. Л. Омелянского (1867-1928), Н. Г. Холодного (1882-1953) и др.

Такая колоссальная работа микроорганизмов обусловливается их чрезвычайно широким распространением в природе, чрезвычайной быстротой размножения, широким разнообразием типов их питания и ферментных систем. Бактерии, актиномицеты, грибы разлагают органические вещества растений и животных для использования их в качестве источника питания и энергии.

Каждая физиологическая группа микробов разлагает определенные органические соединения, а так как различных физиологических групп микробов очень много, то практически они разлагают любые органические соединения. Столь ничтожные в отдельности, микроорганизмы так могущественны в целом.

Редко наблюдается, чтобы микробы доводили процессы разложения сразу до конечных продуктов. Обычно работа распределяется между отдельными физиологическими группами микробов, благодаря чему разложение разделяется на ряд последовательных этапов, в которых вещества, состоящие из частиц большего размера и с большим запасом энергии, превращаются определенными группами микробов в более простые, с меньшим запасом энергии вещества, которые в дальнейшем разлагаются микроорганизмами до конечных продуктов. В деятельности микробов широко наблюдается явление метабиоза; вещества, получившиеся в результате жизнедеятельности одной группы, служат исходным продуктом для жизнедеятельности другой группы микробов. Такое последовательное участие различных групп способствует быстрой минерализации органического вещества до конечных продуктов.

Все эти процессы могут совершаться только при определенных благоприятных условиях внешней среды - при достаточной температуре, влажности, реакции среды и пр. Если жизнедеятельность микробов бывает чем-либо подавлена, то неизбежно начинается накопление полуразрушенных остатков, а не конечных продуктов, как это, например, происходит в болотах при образовании торфа в анаэробных условиях. В южных районах органическое вещество минерализуется очень быстро, на Севере, например на Кольском полуострове, в кислых почвах органическое вещества разлагается очень медленно. В зонах вечной мерзлоты до сих пор находят трупы мамонтов, живших десятки тысяч лет тому назад; мясо их сохранялось свежим в течение всего этого времени. Трупы людей, захороненные в сухую песчаную почву, быстро теряют влагу; высушенные таким образом, они, как и всякое высушенное мясо, рыба, не могут быть использованы микробами. Они не разлагаются, мумифицируются и сохраняются в почве надолго "нетленными".

Совершенно неправильно было бы полагать, что роль микроорганизмов в превращении органического вещества ограничивается только процессами разложения. Они производят и синтетическую деятельность. Они из простых соединений строят свое тело.

По самым скромным подсчетам, общий живой вес всех микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, грибы и др.) в 1 га пахотного слоя почвы составляет от 2,5 до 10 т.

3. Различия в строении клеток бактерий, дрожжей и плесневых грибов

Форма, размеры и строение бактериальной клетки

К бактериям относятся микроскопические растительные организмы. Большинство их - одноклеточные организмы, не содержащие хлорофилла и размножающиеся делением.

По форме бактерии бывают шаровидными, палочковидными и извитыми. Шаровидные бактерии называют кокками. Они могут быть одиночными (кокки, микрококки), соединенными попарно (диплококки), группами по четыре (тетракокки), связанными в цепочку (стрептококки), пакетиками (сарцины) и иметь вид бесформенных скоплений шариков (стафилококки). Диаметр шаровидных бактерий колеблется от 0,5 до 1 мкм.

Палочковидные бактерии бывают двух видов: бактерии и бациллы. Основным признаком, отличающим эти формы, является способность к спорообразованию. Бациллы образуют споры, в то время как бактерии не обладают этой способностью. Палочковидные бактерии также могут быть соединены попарно или в цепочку. Толщина этих бактерий 0,2-2,0, длина - 1-7 мкм.

Извитые бактерии имеют изогнутую форму и по числу завитков делятся на вибрионы, имеющие форму запятой (возбудитель холеры), спириллы с двумя - тремя завитками и спирохеты с многочисленными завитками. Размеры этих бактерий те же, что и палочковидных.

Бактериальная клетка (рис.13) состоит из клеточной оболочки и содержимого - цитоплазмы (протоплазмы).



Рис.13. Схема строения бактериальной клетки:

1 - клеточная оболочка; 2 - цитоплазма; 3 - цитоплазматическая мембрана; 4 - ядерное вещество; 5 - рибосомы; 6 - жировые капельки; 7 - мезосома; 8 - капсула; 9 - гранулы полисахарида; 10 - жгутики.

Клеточная оболочка определяет форму клетки и предохраняет ее от внешних воздействии. Она обладает полупроницаемостью, т. е. сквозь нее проходят одни вещества (низкомолекулярные) и не проходят другие (высокомолекулярные соединения). Она играет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой. По новейшим данным, в ней происходит множество химических реакций, вплоть до синтеза полисахаридов и, возможно, белков.

При помощи электронной микроскопии стало возможным более детальное изучение строения оболочки. Ее каркас образован полимером муреином, в котором отлагаются другие вещества.

На различии в составе клеточной оболочки основывается их отношение к окраске по Граму - важный отличительный признак. У грамположительных бактерий муреиновый скелет однослойный, содержит липопротеиды, полисахариды и фосфаты. Грамотрицательные бактерии имеют многослойный муреиновый скелет, содержат мало белка, а полисахариды или отсутствуют, или их мало.

Наружный слой цитоплазмы, прилегающий к клеточной оболочке, называется цитоплазматической мембраной. Она трехслойная, содержит липиды и белки, а также большое количество различных ферментов, участвующих в обмене веществ.

Цитоплазматическая мембрана выполняет роль осмотического барьера. Она контролирует поступление веществ в клетку и выведение их наружу. Предполагают, что белковые мостики в липидном слое служат порами для движения тока веществ. Регулируется это движение ферментами, локализованными внутри или на поверхности мембраны. В цитоплазматической мембране происходит, по-видимому, синтез веществ клеточной оболочки и ферментов.

Цитоплазма, заполняющая всю полость клетки, - живое вещество в полужидком состоянии. Ее главная составная часть - белок. В ней находятся также запасные питательные вещества в виде жиров и жироподобных веществ.

В цитоплазме находятся рибосомы и мезосомы. В рибосомах происходит синтез белков. В одной клетке содержится 5-50 тыс. рибосом. В них сосредоточено 80-85 % всей РНК клетки. В мезосомах сконцентрированы окислительно-восстановительные ферменты. Тут происходят окислительно-восстановительные процессы, в результате которых клетка получает необходимую энергию.

У бактерий отсутствует оформленное ядро. Ядерное вещество, состоящее из ДНК и РНК, локализовано в хроматиновых тельцах.

У некоторых бактерий клеточная оболочка способна ослизняться, в результате чего клетка покрывается слизистой капсулой. При сильном ослизнении клетки склеиваются в сплошную слизистую массу зооглея.

Вследствие малых размеров бактерии подвержены броуновскому движению. Собственное движение бактерий осуществляется при помощи жгутиков, состоящих из нескольких волокон, закругленных спирально вокруг осевой нити и прикрепляющихся при помощи особых дисков под цитоплазматической мембраной. Жгутики очень тонкие, так что не видны в оптический микроскоп без специальной окраски, но по длине во много раз превышают длину клетки.

Форма, размеры и строение дрожжей. Дрожжи представляют собой одноклеточные неподвижные организмы. Они могут быть различной формы: эллиптической, овальной, шаровидной и палочковидной (рис.1). Длина клеток колеблется от 5 до 12 мкм, ширина - от 3 до 8 мкм.

Рис.1. Формы дрожжей.

Форма и размеры дрожжевых клеток непостоянны и зависят от рода и вида, а также от условий культивирования, состава питательной среды и других факторов. Более стабильны молодые клетки, поэтому для характеристики дрожжей используют молодые культуры.

Дрожжевая клетка (рис.2) состоит из клеточной оболочки, прилегающей к ней цитоплазматической мембраны, цитоплазмы или протоплазмы, внутри которой расположены органоиды и включения (запасные вещества) в виде капелек жира, зерен гликогена и волютина.

Рис.2. Схема строения дрожжевой клетки:

1 - клеточная оболочка; 2 - ядро; 3 - цитоплазма; 4 - вакуоль; 5 - митохондрии; 6 - рибосомы.

Клеточная оболочка - тонкая, плотная и эластичная. Она сохраняет форму клеток, регулирует обменные процессы, поддерживает внутриклеточное осмотическое давление. Через нее поступают в клетку вещества, необходимые для ее питания и роста, и выводятся наружу продукты обмена. Толщина оболочки зависит от возраста клетки и ее состояния. У молодых клеток оболочка очень тонкая - менее 0,5 мкм; по мере старения она утолщается до 1 мкм. Клеточная оболочка состоит из двух слоев, различающихся по содержанию глюкана и маннана. Внутренний слой - цитоплазматическая мембрана, окружающая цитоплазму, - пропускает воду и растворенные в ней вещества с небольшой молекулярной массой, наружный - значительно больше веществ.

Оболочка некоторых дрожжей на определенной стадии развития способна ослизняться, в результате чего происходит склеивание отдельных клеток в более крупные комочки. Этот процесс называется агглютинацией, а дрожжи, способные к агглютинации, называются хлопьевидными. Он очень важен в виноделии, так как ускоряет процесс осветления вина после окончания брожения.

Расы, неспособные к агглютинации, называются пылевидными. В первичном виноделии они не используются. Их применяют в производстве шампанского резервуарным способом.

Цитоплазматическая мембрана служит осмотическим барьером клетки. Она состоит из нуклеиновых кислот, протеинов и полисахаридов.

Цитоплазма клетки выглядит однородной. В ней осуществляются жизненно важные процессы обмена веществ. Она обладает избирательной способностью к восприятию тех или иных веществ. Так, например, она не воспринимает сахарозу из раствора, тогда как глюкоза, фруктоза, органические кислоты и минеральные соли проходят свободно. В цитоплазме происходят сложные превращения поступивших веществ: часть их расходуется на образование самой цитоплазмы и оболочки клетки, часть служит источником энергии, необходимой для жизненных процессов.

Цитоплазма способна к движению, более энергично оно происходит в молодых клетках. Цитоплазма обладает также способностью на отдельных участках сжиматься и расправляться, в результате чего изменяется форма центральной вакуоли (полости, заполненной клеточным соком).

Цитоплазма представляет собой сложную коллоидную систему, дисперсной средой которой является вода, содержащая в растворенном состоянии углеводы, минеральные соли, аминокислоты, ферменты. Вязкость цитоплазмы в 800 раз превышает вязкость воды. По мере старения клетки вязкость цитоплазмы возрастает, появляются мелкая вакуолизация и зернистость, а также жировые гранулы.

Ядро - органоид клетки - находится в цитоплазме и является носителем наследственных свойств организма. Оно имеет вид округлого или овального пузырька диаметром около 2 мкм, окруженного очень тонкой оболочкой. Содержит прозрачную жидкость - нуклеоплазму и более плотную кариосому (ядрышко).

Ядро представляет собой конгломерат склеивающихся хромосом. Они неоднородны и состоят из зернистых и палочковидных структур. В зависимости от рода и вида дрожжей их может быть от 4 до 10-12. В ядрах обособлена в виде включений дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). С ее помощью осуществляется передача наследственных признаков. При размножении ядро делится на 2 части, а при спорообразовании - на количество частей, соответствующее количеству образующихся спор.

Митохондрии (хондриосомы) (рис.3) также являются органоидом клетки. Это мелкие структуры, имеющие формы зернышек, палочек или нитей. Они имеют двухслойную оболочку. От внутренней оболочки вглубь отходят многочисленные выступы, называемые гребнями, или кристами. Длина митохондрий 0,4-1,0, ширина 0,2-0,5 мкм. Они содержат 30% липидов и 50% белка. Митохондрии - это дыхательный аппарат, где сконцентрированы окислительные ферменты.

Рис.3. Схема строения митохондрии:

1 - простые перегородки; 2 - разветвленные перегородки; 3 - полость (криста).

Рибосомы представляют собой органоиды, в которых происходит синтез белка за счет активированных аминокислот, поступающих из митохондрий. Синтез белков осуществляется при помощи рибонуклеиновой кислоты (РНК), связанной с белком. Последовательность чередования аминокислот при синтезе определяется последовательностью нуклеотидов в РНК, входящей в состав рибосом.

Вакуоль, отделенная от цитоплазмы липопротеидной мембраной, является обязательным органоидом клетки. В вакуолях содержатся белки, жиры, углеводы, органические и минеральные вещества в коллоидном состоянии и ферментные системы. Тут аккумулируются различные элементы и их соединения в виде солей с концентрацией, значительно превышающей их содержание в окружающей среде. В вакуолях могут иметь место ферментативные превращения. Круглые дрожжевые клетки содержат одну вакуоль, продолговатые - две. Форма их непостоянна.

К запасным веществам дрожжевой клетки относятся метахроматин (волютин), гликоген, жировые включения, находящиеся в вакуолях.

Содержание метахроматина колеблется в зависимости от состава питательной среды, от стадии развития дрожжей. Особенно много его появляется в клетке перед почкованием. Метахроматин - комплекс, состоящий из липопротеидов, РНК, полифосфатов.

Гликоген - полисахарид, родственный крахмалу, называемый еще животным крахмалом. Его содержание в дрожжевой клетке достигает 30-40% от массы сухих веществ. Гликоген накапливается в дрожжах в период бурного брожения. К концу брожения он исчезает, так как расходуется голодающими клетками.

Жировые включения содержатся в вакуолях в виде мелких капель, которые увеличиваются с ростом клетки.

По числу и расположению жгутиков бактерии делятся на монотрихи (с одним жгутиком), лофотрихи (с пучком жгутиков на конце) и перитрихи (жгутики покрывают всю поверхность клетки).

Скорость движения бактерий зависит от возраста и условий. Молодые клетки более подвижны, чем старые. При благоприятных условиях клетка проходит за 1 с расстояние, равное ее длине.

Строение грибов.

Грибы принадлежат к низшим споровым растениям. Низшими они называются потому, что не имеют органов (корней, стеблей, листьев), а споровыми потому, что размножаются при помощи спор. Грибы не содержат хлорофилла, поэтому питаются готовыми органическими веществами (гетеротрофы). Некоторые ведут паразитический образ жизни, но большинство сапрофиты.

Тело гриба состоит из тонких длинных нитей, названных гифами. Сплетением гиф образуется грибница, или мицелий. Гифы могут быть одноклеточными и многоклеточными, неразветвленными или разветвленными (рис.18). Их толщина 1-15 мкм. Растет гифа своей вершиной. У некоторых грибов гифы отсутствуют и их тело состоит из одной клетки (дрожжи).

Рис.18. Гифы грибов:

а - одноклеточные; 6 - многоклеточные.

Мицелий может развиваться на поверхности субстрата (экзогенный) или в его толще (эндогенный). Эндогенный мицелий встречается чаще, так как развитие гриба внутри субстрата лучше обеспечивает его питательными веществами и предохраняет от неблагоприятных условий. В таком случае на поверхность субстрата выходят гифы, служащие для размножения. Иногда гифы плотно срастаются, образуя плодовые тела (шляпочные грибы).

Клетки грибов имеют такое же строение, как у большинства других растений. Клеточная оболочка состоит из углеводов, близких по строению к клетчатке, и азотистых веществ, сходных с хитином. В качестве запасных питательных веществ грибы откладывают гликоген, волютин, капельки жира. Клетки могут быть одноядерными и многоядерными. Среди грибов многоядерность - обычное явление.

4. Характеристика брожений, вызываемых строгими анаэробами. Их практическое значение

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.

...