Молочнокислое брожение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Молочнокислое брожение - процесс анаэробного окисления углеводов, конечным продуктом при котором выступает молочная кислота. Название получило по характеру продукта - молочной кислоте. Для молочнокислых бактерий является основным путём катаболизма углеводов и основным источником энергии в виде АТФ. Также молочнокислое брожение происходит в тканях животных в отсутствие кислорода при больших нагрузках.

Белки молока являются отличным источником азотистого питания для молочнокислых бактерий, которые расщепляют молочный сахар, превращая его в молочную кислоту, повышают кислотность среды, и молоко свёртывается, образуя плотный однородный сгусток.

Виды молочнокислого брожения. Различают гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение, в зависимости от выделяющихся продуктов помимо молочной кислоты и их процентного соотношения. Отличие также заключается и в разных путях получения пирувата при деградации углеводов гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями.

Гомоферментативное молочнокислое брожение. Поскольку расщепление лактозы происходит внутри клетки микроорганизма, ключевым этапом этого метаболического пути является поступление глюкозы в клетку. При переносе лактозы снаружи в цитоплазматическую мембрану и в клетку микроорганизма для превращения в фосфат лактозы участвуют четыре белка (последовательно: фермент II, III, I и HPr). Лактозо-6-фосфат гидролизуется b-фосфогалоктогеназой (b-Pgal) на его моносахаридные компоненты. Галактоза и глюкоза затем катаболизируются через тагатозный путь и путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (EMP). Возможно дефосфорилирование галактозы, и в этом случае она неусваивается и выводится из клетки микроорганизма. В обоих случаях глюкоза и галактоза превращаются дигидроксиацетон-фосфат и глицеринальдегид-3-фосфат, где трёхуглеродные сахара окисляются дальше до фосфоенолпирувата, а затем образуют молочную кислоту при помощи лактатдегидрогеназы. Продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения является молочная кислота, которая составляет не менее 90% всех продуктов брожения. Примеры гомоферментативных молочнокислых бактерий: Lactobacillus casei, L. acidophilus, Streptococcus lactis.

Гетероферментативное молочнокислое брожение. Лактозу и глюкозу по гетероферментативному пути образуют только бифидобактерии. При катаболизме глюкозы СО2 не образуется, поскольку отсутствует начальный этап, включающий декарбоксилирование. Лактоза транспортируется в клетку с помощью пермеазы, а затем гидролизуется в глюкозу и галактозу. Альдолаза и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа у этого вида отсутствуют. Гексозы подвергают катаболизму путём гексозомонофосфатного шунта с участием фруктозо-6-фосфат-фосфокетолазы. Продуктами ферментации видами Bifidobacterium являются лактат и ацетат, а ферментация двух молекул глюкозы даёт три молекулы ацетата и две молекулы лактата. Побочными продуктами являются: уксусная кислота, этанол. Примеры гетероферментативных молочнокислых бактерий: L. fermentum, L. brvis, Leuconostoc mesenteroides, Oenococcus oeni.

Характеристика возбудителей брожения

Молочнокислые бактерии - группа микроаэрофильных грамположительных микроорганизмов, сбраживающих углеводы с образованием молочной кислоты как одного из основных продуктов.

Молочнокислые бактерии представляют собой основу пробиотиков. Их биологическая характеристика - это возбудители молочнокислого брожения. Они расщепляют сахара с образованием более 50% молочной кислоты. Образованная молочная кислота, вместе с бактериоцинами и другими биологически активными веществами, останавливают развитие вредных микробов, детоксицируют организм, стимулируют иммунную систему. Они обладают антираковым, антиатеросклеротическим, противоаллергическим, антиоксидантным эффектом, защищают от лучения.

Все молочнокислые бактерии (они же лактобактерии) - грамположительные, факультативные анаэробы. Среди молочнокислых бактерий есть мезофиллы (предпочитают температуру около 30 °С) и термофилы (Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus), оптимальной температурой для которых является температура около 40-50 °С.

Молочнокислые бактерии нуждаются в полном наборе готовых аминокислот, в витаминах группы В12, в компонентах нуклеиновых кислот, что и определяет их распространение в природе.

Молочнокислые бактерии обитают в основном на растениях, плодах, овощах, в желудочно-кишечном тракте, в молоке и молочных продуктах, а также в местах разложения растительных остатков.

В качестве источника углерода используют лактозу, мальтозу.

Оптимальное значение рН для развития молочнокислых бактерий около 4. Молочнокислые бактерии образуют от 1 до 3,5 % молочной кислоты. брожение молочнокислый бактерия пищевой

Молочнокислое брожение вызывается несколькими видами бактерий

Типичные молочнокислые бактерии (почти полностью превращают углеводы в молочную кислоту) - ацидофильная болгарская палочка, бактерия казея, куаказикум, а также молочнокислые кокки, лейконосток, лактобактерии, стрептококки и бифидобактерии.

Нетипичные (брожение с накоплением небольшого количества молочной кислоты) - протеус и кишечная палочка.

Молочнокислые бактерии объединяют в семейство Lactobacillaceae. Хотя эта группа морфологически гетерогенна (включает длинные и короткие палочки, а также кокки), в физиологическом отношении её можно охарактеризовать достаточно хорошо. Все относящиеся к ней бактерии грамположительны, не образуют спор (за исключением Sporolactobacillus inulinus) и в подавляющем большинстве неподвижны.

Все они используют в качестве источника энергии углеводы и выделяют молочную кислоту. Молочнокислые бактерии способны только к брожению; они не содержат гемопротеинов (таких, как цитохромы и каталаза).

Могут расти в присутствии кислорода воздуха: будучи анаэробами, они всё же аэротолерантны.

Ещё один отличительный признак молочнокислых бактерий - это их потребность в ростовых веществах. Ни один представитель этой группы не может расти на среде с глюкозой и солями аммония. Большинство нуждается в ряде витаминов (лактофлавине, тиамине, пантотеновой, никотиновой и фолиевой кислотах, биотине) и аминокислотах, а также в пуринах и пиримидинах.

Культивируют эти бактерии преимущественно на сложных средах, содержащих относительно большое количество дрожжевого экстракта, томатного сока, молочной сыворотки и даже крови.

Таким образом, молочнокислые бактерии - это своего рода «метаболические инвалиды», которые, вероятно в результате своей специализации (рост в молоке и других средах, богатых питательными и ростовыми веществами), утратили способность к синтезу многих метаболитов. С другой стороны, многие из них обладают способностью, которой нет у большинства других микроорганизмов; они могут использовать молочный сахар (лактозу). В этом они сходны с многими кишечными бактериями.

Распространение и места обитания. Распространение молочнокислых бактерий в природе определяется их сложными потребностями в питательных веществах и способом получения энергии (только брожение). Эти бактерии почти никогда не обнаруживаются в почве и водоёмах. В естественных условиях они встречаются:

в молоке, местах его переработки и молочных продуктах (Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. helveticus, L. casei, L. fermentum, L. brevis, Streptococcus lactis, S. diacetilactis).

на растениях и на разлагающихся растительных остатках (Lactobacillus plantarum, L. delbriickii, L. fermentum, L. brevis, Streptococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides).

в кишечнике и на слизистых оболочках человека и животных (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium, Streptococcus faecalis, S. salivarius, S. bovis, S. pyogenes, S. pneumoniae).

Описание некоторых видов лактобактерий:bulgaricus (Thermobacterium buldaricum). Образует длинные палочки и является гомоферментативной. Совместно с Streptococcus thermophilus или с окисляющей в большей степени Lactobacillus jughurti она применяется для приготовления йогурта. Иногда Lactobacillus bulgaricus входит в состав бактерий молочнокислой закваски для приготовления молочнокислых продуктов. Ее используют также при производстве твердых сыров. Оптимальная температура ее развития составляет 40-45°С.lactis (Thermobacterium lactis) образует длинные нити. Постоянно находится в кишечнике человека и животных. Ее можно обнаружить на доильном оборудовании, и чаще, чем другие виды лактобацилл, она присутствует в необработанном (сыром) молоке. Lactobacillus lactis идентична Lactobacillus caucasicus, находящейся в кефире. Она часто принимает участие в созревании твердых сыров. Оптимальная температура ее развития примерно 40°С.helveticus (Thermobacterium helveticum) встречается в необработанном (сыром) молоке, в сычуге и в сычужном ферменте телят. Используется вместе с Streptococcus thermophilus для приготовления эмментальского и грюйерского сыров. Образует не только молочную кислоту, но и участвует благодаря наличию протеолитического эндофермента в созревании сыров.acidophilus (Bifidobacterium bifidum). При преимущественно молочном питании находится в большом количестве в кишечнике детей и взрослых. Часто ее обнаруживают и в кишечнике телят. Из других встречающихся в молоке лактобацилл следует отметить: Lactobacillus casei (Streptobacterium casei)- сильно протеолитическая, Lactobacillus brevis (Betabacterium breve), Lactobacillus fermenti (Betabacterium longum).lactis. Он является первым микроорганизмом, который выделен в чистой культуре (в 1873 г. Листером). Streptococcus lactis встречается на растениях. С пылью и растительными частицами попадает на доильное оборудование и затем в молоко. Он встречается в виде коротких цепочек из двух - шести звеньев. Определенные штаммы, которые не образуют слизи и ароматических веществ с неприятным запахом, как многие дикие штаммы, входят в состав заквасок. Оптимальная температура развития Streptococcus lactis - около 30°С. Отдельные штаммы, однако, могут также размножаться, но медленно, при низких температурах (ниже 7°С). При температуре 25°С Streptococcus lactis за счет образования молочной кислоты снижает показатель рН примерно до 4,5 и молоко свертывается вследствие выпадения казеина.diacetilactis. Он образует в молоке не только молочную кислоту, но и ацетон и диацетил, важнейшие ароматические масла, а также СО2. Streptococcus diacetilactis содержится в значительном количестве в закваске для приготовления масла.

Молочнокислые бактерии являются компонентом нормального микробиоценоза пищеварительного тракта человека, а их количественный состав служит критерием оценки состояния здоровья. Лечебный эффект препаратов которые содержат лактобактерии, обусловлен антагонистическим действием лактобактерий по отношению к патогенным микроорганизмам, включая стафилококки, энтеропатогенные кишечные палочки, протеи, шигеллы, что определяет корригирующее действие препарата при нарушениях бактериоценоза. Препараты лактобактерий улучшают обменные процессы, препятствуют формированию затяжных форм кишечных заболеваний, повышают неспецифическую резистентность организма.

Некоторые виды Lactobacillus нашли применение в промышленности для производства кефира, йогурта, сыров. Лактобактерии участвуют в процессах засолки овощей, в приготовлении маринадов и других продуктов, используют также синтетическую и биотехнологическую молочную кислоту. Брожение силоса приводит к торможению развития плесеней, что обеспечивает животных ценным кормом.

Штаммы молочнокислых бактерий используют в производстве медицинских препаратов - пробиотиков, предназначенных для восстановления нормальной микрофлоры кишечника и репродуктивной системы у женщин (после инфекционных заболеваний, антибиотикотерапии).

Практическое применение молочнокислого брожения в народном хозяйстве

Молочнокислое брожение используется в молочной промышленности для изготовления простокваши, творога, сметаны, кефира, сливочного масла, ацидофильного молока и ацидофильной простокваши, сыров, квашеных овощей, при приготовлении хлебных заквасок, молочной кислоты. Молочнокислые бактерии широко применяют также при силосовании кормов, при выделке меховых шкурок и в производстве молочной кислоты.

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 напитках.

Спонтанно (самопроизвольно) возникающее молочнокислое брожение в продуктах (молоке, вине, пиве, безалкогольных напитках и др.) приводит к их порче (прокисанию, помутнению, ослизнению).

Применение молочнокислых бактерий в домашнем хозяйстве, сельском хозяйстве и для приготовления пищевых продуктов. Если нестерильный раствор, содержащий наряду с сахарами также сложные источники азота и факторы роста, оставить без доступа воздуха или просто налить в сосуд достаточно большое количество такого раствора, то вскоре в нем появятся молочнокислые бактерии. Они снижают рН до значений < 5 и тем самым подавляют рост других анаэробных бактерий, которые не могут развиваться в столь кислой среде. Какие именно молочнокислые бактерии вырастут в таких накопительных культурах, зависит от прочих условий. Благодаря своему стерилизующему и консервирующему действию, основанному на подкислении среды, молочнокислые бактерии используются в сельском и домашнем хозяйстве и в молочной промышленности.

Приготовление силоса. Молочнокислые бактерии, обитающие на растениях, играют большую роль при запасании впрок кормов для скота. Для приготовления силоса используют листья сахарной свеклы, кукурузу, картофель, травы и люцерну. Растительную массу прессуют и прибавляют к ней мелассу, чтобы повысить отношение C/N, и муравьиную или какую-либо неорганическую кислоту, чтобы заранее обеспечить преимущественный рост лактобацилл и стрептококков. В таких условиях происходит контролируемое молочнокислое брожение.

Приготовление кислой капусты. Кислая капуста тоже представляет собой продукт, в приготовлении которого участвуют молочнокислые бактерии. В мелко нарезанной, посыпанной солью (2-3%) и спресованной белокочанной капусте при исключении доступа воздуха начинается спонтанное молочнокислое брожение, в котором принимает участие сначала Leuconostoc (с образованием С02), а позднее Lactobacillus plantarum.

Молочные продукты. Молочнокислые бактерии, образующие кислоту и придающие продуктам определенный вкус, находят широкое применение в молочной промышленности. Стерилизованное или пастеризованное молоко или же сливки сбраживают, прибавляя в качестве закваски чистые («стартовые») культуры молочнокислых бактерий. Кисломолочное масло готовят из сливок, сквашенных с помощью Streptococcus lactis, S. cremoris и Leuconostoc cremoris. Образующийся в процессе брожения диацетил придает маслу специфический аромат.

Закваски, содержащие Streptococcus lactis или Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus, вызывают свертывание казеина при приготовлении творога и немецких сыров (гарцского и майнцского). При изготовлении твердых сыров (в отличие от сыров из кислого молока) для свертывания казеина пользуются сычужным ферментом. Молочнокислые бактерии (Lactobacillus casei, Streptococcus lactis) вместе с пропио-новокислыми участвуют лишь на стадии созревания сыров.

Для приготовления молочнокислых продуктов в качестве заквасок тоже используются стартовые культуры молочнокислых бактерий, образующих кислоту и некоторые вещества, придающие продукту характерный запах. Ароматное пахтанье получают с помощью упомянутых выше заквасок, применяемых для приготовления кисломолочного масла. Пахтанье наряду с молочной кислотой содержит также уксусную кислоту, ацетоин и диацетил. Йогурт получают из пастеризованного гомогенизированного цельного молока, инокулированного Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus (после внесения закваски молоко выдерживают 2-3 ч при 43-45°С). Под названием биогурт в продажу поступает кислое молоко, сквашенное Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus. Кефир принадлежит к молочнокислым продуктам, содержащим кислоты и этанол; его получают из молока (коровьего, овечьего или козьего). Закваску готовят на так называемых кефирных зернах, которые состоят из пока еще не полностью изученного сообщества организмов, включающего лактобациллы, стрептококки, микрококки и дрожжи. Сквашивание молока ведут при 15-22°С в течение 24-36 ч. Для приготовления кумыса используют ослиное молоко, которое инокулируют культурой, содержащей Lactobacillus bulgaricus и дрожжи рода Torula.

Чистую молочную кислоту, которая используется для различных промышленных целей и как добавка к пищевым продуктам, получают в результате брожения. Молоко или сыворотку сбраживают при помощи lactobacillus casei или L. bulgaricus. Для сбраживания глюкозы и мальтозы применяют L. delbruckii, L. leichmannii или Sporolactobacillus inulinus. Источником необходимых факторов роста служат меласса и солод.

Образование кислоты в кислом тесте, используемой для его подъема, тоже обеспечивается молочнокислыми бактериями, в частности Lactobacillus plantarum и L. coryneformis. Стартовые культуры лактобацилл и микрококков применяются также для приготовления сырокопченых колбас (салями, сервелат). Образуя молочную кислоту и снижая рН, молочнокислые бактерии предохраняют от порчи те виды колбас, которые не подвергаются варке.

Продукты, получаемые с использованием молочнокислого брожения

В основе получения кисломолочных продуктов лежит направленная и регулируемая деятельность определенных видов молочнокислых бактерий. В результате жизнедеятельности молочнокислых микроорганизмов молоко изменяется и приобретает новые вкусовые, диетические, биологические и лечебные свойства.

Кисломолочные продукты лучше и быстрее усваиваются. Если обычное молоко через час после потребления усваивается на 32%, то кефир, простокваша и др. усваиваются на 91%.

При сквашивании молока образуются мелкие, легкоусвояемые хлопья. Белок молока подвергается частичному расщеплению (пептонизации) и приобретает мелкодисперсную структуру, в связи с чем для его усвоения не требуется той обработки в желудке, которой подвергается обычное молоко.

Важнейшей составной частью кисломолочных продуктов является молочная кислота, которая обладает биологической активностью, создавая оптимальные условия для проявления действия антибиотических веществ и жизнедеятельности молочнокислых бактерий. В то же время молочная кислота тормозит развитие гнилостных и других немолочнокислых (в том числе и патогенных) бактерий.

Кисломолочные продукты содержат огромное количество живых бактерий однородного состава (молочнокислые бактерии), которые способны подавить развитие других видов микроорганизмов. Если в доброкачественном бутылочном молоке количество микроорганизмов исчисляется десятками тысяч в 1 мл, то в простоквашах количество микробов составляет не менее 100 млн. в 1 мл. По существу кисломолочные продукты можно рассматривать как своеобразные бактериальные культуры.

С помощью кисломолочных напитков представляется возможным ограничить и даже полностью прекратить образование в кишечнике вредных веществ гнилостными микробами. Знаменитый русский ученый И.И. Мечников экспериментально доказал, что при введении в кишечник животных этих вредных продуктов жизнедеятельности гнилостных микробов через несколько месяцев у животных развивается склероз аорты. По-видимому, в развитии атеросклероза у человека немалую роль играет интенсивная жизнедеятельность гнилостной микрофлоры кишечника.

Определенные виды молочнокислых бактерий - ацидофильная палочка, молочнокислый стрептококк и др., способны образовывать в кисломолочных напитках антибиотические вещества, обладающие бактериостатическим и бактерицидным действием. Изучение антибиотических свойств ацидофильных бактерий выявило способность их продуцировать ряд термостабильных антибиотических веществ: низин, лактолин, лактомин, стрептоцин и др., проявляющие свое действие преимущественно в кислой среде.

Во всех случаях нарушения нормального состава кишечной микрофлоры использование кисломолочных, ацидофильных продуктов позволяет в значительной степени нормализовать микрофлору кишечника, особенно в отношении снижения интенсивности гнилостных процессов.

Молочнокислые бактерии являются продуцентами витаминов группы В. Путем подбора культур молочнокислых бактерий представляется возможным получить кисломолочные продукты с высоким содержанием витаминов.

Таким образом, кисломолочные продукты обладают разносторонними биологическими и лечебными свойствами. Известно лечебное действие кисломолочных продуктов (напитков) при многих заболеваниях пищеварительной системы. Они улучшают желудочную секрецию, нормализуют перистальтику кишечника, снижают газообразование.

Биологические свойства кисломолочных продуктов оказывают оздоровляющее действие на полезную кишечную микрофлору.

В СССР промышленное производство кисломолочных продуктов было организовано на основе широкого использования чистых культур молочнокислых бактерий и молочных дрожжей. Была создана сеть специальных лабораторий по подбору культур и производству заквасок, которыми обеспечиваются предприятия молочной промышленности. В производстве кисломолочных напитков использовались современные установки, обеспечивающие выпуск продуктов высокого качества (рис. 1).

Кисломолочные продукты подразделяются на продукты молочнокислого и смешанного брожения.

- молокохранительный танк ТМА-10, 2 - центробежные насосы - МЦН-10, 3 - приемный бак, 4 - пластинчатый пастеризатор, 5 - молокоочиститель типа ОМА-2М, 6 - двухстенный танк, 7 - гомогенизатор, 8 - двухстенные танки, 9 - мембранный насос для сгустка, 10 - автомат для розлива напитков в бутылки, 11 - автомат для розлива напитков в пакеты.

Простокваша - это кисломолочный напиток, выработанный из пастеризованного молока путем сквашивания его закваской, приготовленной на чистых культурах молочнокислых растений. В зависимости от культур молочнокислых бактерий различают простоквашу обыкновенную, мечниковскую, южную, украинскую (ряженка), ацидофильную и варенец. Обыкновенную простоквашу готовят на чистых культурах молочнокислых стрептококков; она имеет нежный сгусток с освежающим, приятным, слабокислым вкусом. Мечниковская простокваша отличается от обыкновенной более плотным сгустком и кисловатым вкусом. Это объясняется тем, что ее готовят из чистых культур болгарской палочки и молочнокислых стрептококков. Южная простокваша имеет консистенцию сметаны, слегка вязкую, вкус кисловатый, щиплющий, освежающий. При приготовлении кроме молочнокислых стрептококков и палочек используют дрожжи. Варенец готовят из стерилизованного молока, выдержанного при высокой температуре в течение 2-3 ч (томленого). Варенец имеет плотную, слегка вязкую консистенцию, кисловатый вкус со сладковатым привкусом томленого молока, кремовый цвет. Варенец готовят на тех же культурах, что и мечниковскую простоквашу.

Ряженка, или украинская простокваша, кремового цвета, по вкусу и консистенции напоминает сметану, но имеет своеобразный вкус. Сладковатым привкусом напоминает томленое молоко. Жирность ряженки 6%. Для приготовления ее применяют чистые культуры молочнокислого стрептококка. Калорийность ряженки значительно выше калорийности простокваши других разновидностей.

Мацони, мацун, катык - по сути это разные названия примерно одного и того же вида южного кислого молока, вырабатываемого из коровьего, буйволиного, овечьего, верблюжьего или козьего молока. Основная микрофлора этих напитков - болгарская палочка и теплолюбивые молочнокислые стрептококки. Молоко заквашивают при повышенных температурах (48-55 °С) и сквашивают в устройстве, сохраняющем тепло. Джугурт вырабатывают на Северном Кавказе (преимущественно в Кабардино-Балкарии). Это отжатое кислое молоко, внешне похожее на сметану или пасту. Жира в нем 12 -13 %, а воды не более 70 %. Из такого отжатого кислого молока готовят различные блюда. Его можно хранить длительное время для потребления в зимние месяцы в виде сметанообразного продукта «брнацмацун».

Курунга - это кисломолочный напиток, широко распространенный в Северо-Восточной Азии у бурятов, монголов, тувинцев и других народов. Способ приготовления курунги известен из глубокой древности. Для монголов и тувинцев, которые вели полукочевой образ жизни, летом курунга представляла собой один из важнейших продуктов. Начиная с XVIII века секрет приготовления курунги узнали и другие народы (буряты, хакассы). Готовят курунгу посредством двойной ферментации - молочнокислой и спиртовой. Содержание алкоголя обычно не превышает 1 %.

Айран - очень распространенный напиток у народов Средней Азии, на Кавказе, в Татарии, Башкирии. Готовят из коровьего, козьего, овечьего молока. Несколько похож на кумыс (при приготовлении используется молочнокислая и спиртовая ферментация). У некоторых народов нашей страны под словом «айран» подразумевается прохладительный напиток, представляющий собой смесь кислого молока с водой. Узбекский рецепт, например, предусматривает разбавление простокваши холодной переваренной водой в соотношении 1:1, после чего напиток разливают в стаканы со льдом. В Таджикистане и в Узбекистане производится еще кисломолочный продукт чакка (суему) - с удалением определенной части воды. На Балканском полуострове йогурт с давних времен делают из молока овец и буйволиц. Так как в этом молоке белка, жира и углеводов больше, чем в коровьем, йогурт гуще многих других кисломолочных напитков. С переходом на промышленное производство йогурт стали приготовлять из коровьего молока, к которому добавляют сухое молоко или частично выпаривают из коровьего молока влагу на вакуум-аппаратах. Закваска, применяемая для производства йогурта, состоит из молочнокислых стрептококков и болгарской палочки. Совместно развиваясь, они дают более высокое содержание молочной кислоты. Йогурт быстро уменьшает жажду, утоляет чувство голода. Он полезен людям всех возрастов, особенно пожилым, беременным и кормящим матерям. Ежедневное употребление йогурта способствует быстрому восстановлению сил, покрывает потребности нашего организма в аминокислотах, солях кальция и др.

«Кисело млеко» - болгарское кислое молоко, приготовляемое с применением «болгарской палочки», открытой в начале нашего века Стаменом Григоровым. В тайном архиве Людовика XIV были обнаружены свидетельства того, что французский король весьма успешно пользовался в целях исцеления от тяжкого желудочного недуга этим густым белым напитком, который ему привозили из Болгарии в специальных мешках из овечьей кожи. «Пища настоящих мужчин до глубокой старости» - так с гордостью называют болгары этот эликсир молодости и долголетия. Кружка «кисело млеко» обязательно присутствует в меню болгар.

Чал (шубат) - кисломолочный, сильно пенящийся напиток с чистым кисломолочным вкусом и дрожжевым запахом, готовится из молока верблюдицы. В Туркмении он называется чал, в Казахстане - шубат. И. И. Мечников писал, что кочевники арабы, имеющие отличное здоровье и обладающие большой физической силой, питаются почти исключительно свежим или скисшим молоком верблюдиц. Первоначальной закваской для приготовления этого напитка служит кислое молоко верблюдиц - «катык». Напитку чал приписываются могущественные целебные свойства. В Туркмении даже имеются районы, куда ездят для принятия курса лечения чалом.

К числу наиболее молодых кисломолочных напитков относятся ацидофильные напитки. Ацидофильная палочка, которая используется для приготовления ацидофилина и других ацидофильных напитков,- одна из разновидностей молочнокислых бактерий. Она не разрушается под действием пищеварительных соков, лучше чем другие молочнокислые бактерии приживается в толстых кишках человека. Для приготовления ацидофилина используют равные количества ацидофильной палочки, молочнокислого стрептококка и кефирных грибков. Получается тягучий напиток слегка острого вкуса. Ацидофилин выпускают сладкий, добавляя сахар. В эту же группу напитков входит ацидофильное молоко и ацидофильно-дрожжевое молоко. Как и другие кисломолочные напитки, эта группа - ацидофилин, ацидофильное и ацидофильно-дрожжевое молоко - ценный продукт для питания детей, взрослых и пожилых. Она содержит основные, необходимые для нашего организма пищевые вещества, причем в легкоусвояемой форме.

Пропионовокислые бактерии - неспороносные грамположительные неподвижные палочки размером 0,5--0,8 или 1,0--1,5 мкм (в молодых культурах -- искривленные, слегка ветвящиеся палочки, в более старых -- кокковидной формы). Образуют колонии жёлтого, оранжевого или красного цвета, растут как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Пропионовокислые бактерии родственны по ряду свойств гетероферментативным молочнокислым бактериям Они, как и молочнокислые бактерии, не встречаются в почве или водоемах. Обитают в основном в рубце и кишечнике жвачных животных, в молочных продуктах (не в молоке). Пропионовокислые бактерии -- возбудители пропионовокислого брожения, сбраживают глюкозу, лактозу и др. углеводы, а также некоторые спирты с образованием пропионовой и уксусной кислот и CO₂. После молочнокислого брожения, когда лактоза превращена в молочную кислоту, начинают размножаться.

Пропионовокислые бактерии применяют для микробиологического синтеза витамина B₁₂. Пропионовые бактерии могут синтезировать гемсодержащие белки. В их клетках обнаружены цитохромы.

Конструктивный метаболизм пропионовых бактерий претерпел дальнейшую эволюцию в сторону большей независимости от органических соединений внешней среды. Пропионовые бактерии характеризуются хорошо развитыми биосинтетическими способностями и могут расти на простой синтетической среде с аммонийным азотом в качестве единственного источника азота при добавлении к среде пантотеновой кислоты и биотина, а для некоторых видов и тиамина. У ряда пропионовых бактерий обнаружена способность к азотфиксации.

Местообитание пропионовых бактерий -- кишечный тракт жвачных животных, молоко, твердые сыры, в приготовлении которых они принимают участие.

Пропионовокислое брожение: химизм и особенности

Основные продукты пропионовокислого брожения, вызываемого несколькими видами бактерий из рода Propionibacterium, -- пропионовая (CH₃CH₂OH) и уксусная кислоты и CO₂. Химизм пропионовокислого брожения сильно изменяется в зависимости от условий. Это, по-видимому, объясняется способностью пропионовых бактерий перестраивать обмен веществ, например, в зависимости от аэрации. При доступе кислорода они ведут окислительный процесс, а в его отсутствии расщепляют гексозы путём брожения. Пропионовые бактерии способны фиксировать CO₂, при этом из пировиноградной кислоты и CO₂ образуется щавелевоуксусная кислота, превращающаяся в янтарную кислоту, из которой декарбоксилированием образуется пропионовая кислота.

Основное энергетическое значение для пропионовокислых бактерий имеют так называемые ключевые реакции пропионовокислого брожения.

Под пропионовокислым брожением подразумевают биохимический процесс превращения бактериями сахара, молочную кислоту и ее солей в пропионовую кислоту. В этом брожении, кроме пропионовой кислоты, образуются и такие продукты, как уксусная кислота, углекислый газ, янтарная кислота, ацетоин, диацетил, другие летучие ароматические соединения - диметилсульфид, ацетальдегид, пропионовый альдегид, этанол и пропанол. Химизм данного брожения подобен типичному молочнокислому брожению с той разницей, что образовавшаяся молочная кислота в этом брожении не конечный продукт, а промежуточный. От других типов брожения пропионовокислое отличается высоким выходом АТФ, участием некоторых уникальных ферментов и реакций.

Пропионовокислым бактериям свойственен бродильный тип метаболизма: они расщепляют сахара по пути Эмбдена-Мейергоффа до пропионата, ацетата, СО₂ и сукцината. Химизм пропионовокислого брожения хорошо изучен и описан.

В пропионовокислом брожении мы имеем дело с карбоксилированием пирувата, приводящим к возникновению нового акцептора водорода -- ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом. Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика CO₂. Донором CO₂-группы служит метилмалонил-КоА. В результате реакции транскарбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоА:

Ключевую реакцию брожения - превращение а-метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА катализирует кофермент В₁₂ (Ado Cbl).

Когда сбраживаемым субстратом является лактат, он сначала окисляется в пируват. Часть пирувата далее окисляется до ацетил-КоА и СО₂, причем превращение ацетил-КоА в ацетат сопровождается образованием АТФ. Получение в процессе брожения окисленных продуктов, ацетата и СО₂ уравновешивается сопутствующим восстановлением пирувата до пропионата.

Пировиноградная кислота - обязательное промежуточное соединение в брожении.

Пируват может быть превращен в пропионат несколькими путями:

1). пируват >акрилат>пропионат;

2). пируват>лактат>пропионат;

3). пируват + С ₁ >сукцинат >метилмалонат >пропионат.

Первые две возможности у пропионовых бактерий не реализуются, и образование пропионата происходит из дикарбоновой кислоты по третьему пути.

Сначала лактат окисляется до пирувата при участии флавопротеида в качестве акцептора водорода, затем в реакции транскарбоксилирования образуется оксалоацетат. Донором СО₂ служит (S)-метилмалонил-КоА, а переносчиком СО₂ - биотин. Под действием малатдегидрогеназы и фумаразы образуется фумарат, который восстанавливается до сукцината в реакции, катализирующей фумаратредуктазой. Эта реакция сопряжена с синтезом АТР путем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов. Далее в КоА - трансферазной реакции образуется сукцинал-КоА. Затем под действием метилмалонил-КоА-мутазы, содержащей кофермент В₁₂, осуществляется перегруппировка, ведущая к образованию (R)-метилмалонил-КоА, который, однако, не является субстратом для транскарбоксилазы. Скорее всего, (S)-стереоизомер образуется при действии специфической рацемазы. В зтом случае в реакции транскарбоксилирования синтезируется пропионил-КоА, и в результате последующего переноса КоА на сукцинат образуется пропионат.

В процессе сбраживания лактата в пропионат потребляется одна молекула NADH₂. Она образуется при окислении лактата до ацетата в соответствии с суммарным уравнением реакций брожения:

Лактат + NADH₂ + ADP + Pi > Пропионат + NAD + ATP.

Реакции, ведущие к образованию пропионовой кислоты у пропионовокислых бактерий, могут быть представлены следующей последовательностью:

1) Пируват + метилмалонил-КоА (а) -оксалоацетат+пропионил-КоА

2) Оксалоацетат+пропионил-КоА

3) Сукцинат + пропионил-КоА (+ КоА-трансфераза)-сукцинил-КоА+пропионат

4) Сукцинил-КоА -(+метилмалонилизомеразая)-метилмалонил-КоА

5) Метилмалонил-КоА (в) -(+метилмалонилрацемаза)-метилмалонил-КоА(а)

Суммарно: пируват + 4H⁺> пропионат.

Превращение оксалоацетата в сукцинат происходит в результате работы ферментов ЦТК: малатдегидрогеназы, фумаразы и сукцинатдегидрогеназы. Уксусная кислота образуется в результате окислительного декарбоксилирования пирувата:

6) Пируват + HAD⁺ + КоА(+пируватдегидрогеназа)-ацетил-КоА+Н⁺ + НADH + CO₂,

7) Ацетил-КоА + Ф_н (+фосфотрансацетилаза)- ацетил-Ф + КоА, ацетил-Ф + АDФ (+ацетилкиназа)-ацетат + АТФ.

Итак, разобранный выше поток реакций приводит к синтезу пропионовой кислоты. Однако пропионовокислое брожение -- более сложный процесс, поскольку наряду с пропионовой кислотой в качестве продуктов брожения образуются уксусная, янтарная кислоты и CO₂ (см. рис. 1):

Кроме основных продуктов в разных количествах в культуральной жидкости пропионовых бактерий обнаружены молочная, муравьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бактерий, состава среды и условий культивирования. Это касается как видов накапливаемых продуктов, так и количественных соотношений между ними.

Соотношение продуктов брожения может быть разное и в значительной степени зависит от степени окисленности источника углерода. При росте на среде с глицерином, например, отношение пропионовая: уксусная 2:1, с лактатом 1:1,5 и пируватом 1:2. С другой стороны, при культивировании пропионовокислых бактерий в строго анаэробных условиях соотношение между количествами кислот отклоняется в обратную сторону; именно в этом случае на одну молекулу уксусной всегда образуется 3 молекулы пропионовой. Также большое влияние имеет значение концентрации ионов водорода. При увеличении концентрации ионов водорода в среде изменяется соотношение основных продуктов брожения: образование уксусной кислоты увеличивается, а пропионовой заметно уменьшается. Соотношение пропионовой и уксусной кислот зависит от состава и свойств среды и внешних условий существования микроорганизмов. В сырах в период максимального развития культуры пропионовых бактерий (первая фаза) в основном образуются относительно окисленные соединения (уксусная кислота), в период спада развития - преимущественно более восстановленные (вторая фаза). Но при замедлении развития культуры P. shermanii (замена пептона аммонийными солями) уксусная кислота превалирует перед пропионовой, однако и в этом случае отношение пропионовой кислоты к уксусной возрастает. Этот пример служит доказательством связи продуцирования кислот с составом среды. Отношение пропионовой кислоты к уксусной зависит также от вида бактерий. В среде с глюкозой и дрожжевым автолизатом пропионовокислые бактерии рода P. thonii продуцируют указанные кислоты в отношении 5:1, для P. rubrum это отношение равно 3:1 и для P. shermanii - 2:1. Для культур P. shermanii (9 штаммов) отношения пропионовой кислоты к уксусной колеблется от 1,4 до 2,8.

Между количеством организмов и количеством образующихся кислот нет прямой связи. Изменение состава карбоновых кислот в питательной среде (соли молочной, пировиноградной и янтарной кислот) значительно влияет на продуцирование пропионовой и уксусной кислот культурами P. shermanii. Отношение пропионовой кислоты к уксусной изменяется, с лактатом оно равно 1,83 (17,55:9,55), с пируватом - 0,64 (8,20:12,75) и янтарной кислотой - 2,0 (3,30:1,50). В присутствии лактозы продуцирование пропионовой кислоты происходит более энергично, чем в присутствии глюкозы. При сбраживании культурами P.jensenii пировиноградной кислоты более окисленной, чем молочная, также наблюдается, что соотношение пропионовой и уксусной кислот смещается в сторону более окисленной уксусной. Соотношение кислот зависит от состава закваски. Так, при использовании закваски с двумя культурами - L. helveticum и Str. thermophilus это соотношение ниже, чем при использовании одной L.helveticum.

Таким образом, уникальность пропионовокислого брожения обусловлена: 1) участием ФЕП - карбоксилтрансфосфорилазы фермента, не обнаруженного у других организмов, синтезирующих пропионат; благодаря наличию этого фермента, брожение, осуществляемое пропионово-кислыми бактериями, работает как циклический процесс.

2) особым способом образования пропионата, которое сопряжено с восстановлением фумарата до сукцината и окислением пирувата до ацетата и СО₂; транспорт электронов, сопровождающий эти реакции, сопряжен с окислительным фосфорилированием и синтезом АТФ;

3) высокий выход АТФ, превышающий выход АТФ в других известных брожениях. 1,5 М глюкозы могут дать пропионовокислым бактериям около 6 М АТФ.

Энергетическая эффективность пропионовокислого брожения связана также с выработкой пропионовыми бактериями новых метаболических способностей: реакций транскарбоксилирования и перегруппировки, участия в процессе КоА-производных. Образование дикарбоновой кислоты из пировиноградной с использованием механизма транскарбоксилирования вместо прямого карбоксилирования пирувата позволяет избежать дополнительных энергетических затрат на этом этапе брожения. Все это вместе взятое позволяет рассматривать пропионовокислое брожение как более совершенный из рассмотренных до сих пор способов получения энергии в анаэробных условиях.

Использование пропионовокислых бактерий в промышленности

Сыроделие - наиболее древняя биотехнология, использующая биохимическую активность пропионовых бактерий. Первые исследования пропионовокислых бактерий были связаны с изучением их роли в созревании сыров. Наиболее высокими органолептическими свойствами и длительными сроками хранения обладают твердые сычужные сыры с высокой температурой второго нагревания, при изготовлении которых принимают участие пропионовокислые бактерии. Общее правило, касающееся использования этих бактерий в созревании сыров, гласит: вреден как недостаток, так и избыток пропионовокислых бактерий, но без их участия сыр нужного качества изготовить невозможно; могут получаться «слепые», т.е. сыры без «глазков» или с другими дефектами. Многие пороки лучших сыров вызваны отсутствием или слабым ростом пропионовокислых бактерий.

Основная роль пропионовокислых бактерий в созревании сыров состоит в использовании лактатов, образованных молочнокислыми бактериями при сбраживании лактозы молока, при этом лактаты превращаются в пропионовую, уксусную кислоты и СО₂. Кислоты обеспечивают острый вкус сыров и участвуют в консервации молочного белка казеина; гидролитическое расщепление липидов с образованием жирных кислот важно для развития органолептических свойств сыра; образование пролина и других аминокислот, а также летучих веществ: ацетоина, диацетила, диметилсуль-фида, ацетальдегида, участвующих в формировании аромата сыра; образование углекислоты в процессе пропионово-кислого брожения лактата и декарбоксилирования аминокислот (главным образом); СО₂ участвует в создании рисунка сыра - «глазков», образовании витаминов и в первую очередь витамина В₁₂.

Созревание сыра - сложный биохимический процесс, протекающий при участии сычужного фермента, ферментов молока, молочнокислых и пропионовых бактерий. Происходят энзиматические изменения в белках, жире, аминокислотах; формируется аромат, внешний вид, консистенция сыра.

Пропионовокислые бактерии размножаются в сыре в значительном количестве в период выдерживания его в бродильном подвале, рост их продолжается в течение всего периода созревания. В результате пропионовокислого брожения образуются специфический вкус и запах, а также характерный рисунок «Швейцарского» сыра».

Пропионовокислые бактерии также применяют в хлебопечении. Их наряду с молочнокислыми бактериями и дрожжами вводят в некоторые закваски для теста с целью образования в процессе ферментации, помимо молочной и уксусной кислот, еще и пропионовой. При внесении в тесто такой закваски хлеб содержит 0,1% уксусной, 0,2% молочной, 0,1% пропионовой кислоты (по отношению к весу муки). Такого количества пропионовой кислоты достаточно для проявления фунгицидного действия, без заметного влияния на вкус и аромат выпекаемого хлеба.

Использование пропионовокислых бактерий нашло себя, хотя и незначительно, в кисломолочном производстве.

С целью обогащения витамином В₁₂ в кефир и другие молочнокислые продукты вносили пропионовокислые бактерии, повышая, таким образом, питательные свойства и лечебную ценность этих продуктов. Готовый продукт имеет однородную сметанообразную гомогенную консистенцию молочно-белого цвета, кисломолочный освежающий, слегка острый вкус. Количество клеток пропионовокислых бактерий в 1 см³ 10 единиц, молочнокислых стрептококков 10⁷.

Разбавление молока творожной сывороткой приводит к экономии молока, но вместе с тем и к разбавлению его, вследствие чего содержание в продукте сухих веществ, витаминов, белка снижается. Эти неизбежные потери компенсируются использованием в составе закваски пропионовокислых бактерий, синтезирующих белки, витамины, внеклеточные полисахариды, увеличивающие вязкость продукта.

При изготовлении сметаны применение закваски, содержащей продуценты витаминов группы В, позволяет вести процесс ее производства в одних условиях независимо от жирности сырья, при этом сквашивание ведут при 30- 32⁰С, что ускоряет процесс и позволяет получить продукт с высокими питательными свойствами. Полученный продукт богат витаминами группы В (В₁, В₂, В₁₂), фолиевой кислотой, микроэлементами, в том числе и железом, а также другими продуктами метаболизма в легкоусвояемой форме, которые обладают лечебными свойствами.

Пропионовокислые бактерии используют в основном в сыроделии при производстве сыров с высокой температурой второго нагревания и незначительно - при производстве кисломолочных продуктов. При выработке кисломолочных продуктов в качестве закваски используют пропионовокислые бактерии в комбинации с молочнокислыми бактериями.

Интенсивный путь развития молочной промышленности требует новых нетрадиционных подходов к разработке технологии молочных продуктов. Одним из важнейших направлений развития технического прогресса в области переработки молока является развитие биотехнологии, в частности применение ферментных препаратов для производства молочных продуктов. Среди ферментных препаратов, рекомендованных для пищевой промышленности, важная роль принадлежит в-галактозидазе, использование которой при переработке молочного сырья позволяет ускорить процесс молочнокислого брожения, повысить лечебные свойства и качество молочных продуктов.

Пропионовокислые бактерии также применяют для микробиологического синтеза витамина B₁₂. У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина B₁₂, который накапливается внутри клеток. Эта особенность используется для промышленного получения витамина B₁₂ на отходах производства (молочной сыворотке и др.) с добавлением кукурузного экстракта в качестве источника витаминов.

Заключение

молочнокислый брожение пропионовый

Таким образом, можно сказать о том, что пропионовокислое брожение имеет ряд отличий от других типов брожения, имеет высокую продуктивность и широко применяется в микробиологической промышленности для синтеза пропионовой, уксусной кислот, цианкобаламина и других метаболитов. Для этого в производстве используют пропионовокислые бактерии. Немаловажна роль явления пропионовокислого брожения в пищевой промышленности в производстве сыров, в хлебопечении, а также при приготовлении некоторых кисломолочных продуктов.

Список литературы

1. Аркадьева З.А. Промышленная микробиология / З.А. Аркадьева, А.М. Безбородов, И.Н. Блохина и др. - М.: Высшая школа, 1989. - 688 с.

2. Шлегель Г. Общая микробиология / Г. Шлегель. - М.: Мир, 1987.-567 с.

3. Лысак В.В. Микробиология / В.В. Лысак. - Мн.: БГУ, 2005. - 261 с.

4. Егоров Н.С. Биотехнология: проблемы и перспективы / Н.С. Егоров, В.Д. Самуилов. - М.: Высшая школа, 1987. - 159 с.

5. Быков В.А. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов / В.А. Быков, И.А.Крылов, М.Н. Манаков и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 143 с.

6. Елинов Н.П. Основы биотехнологии / Н.П. Елинов. - СПб: Наука, 1995. - 600 с.

7. Беккер М.Е. Введение в биотехнологию / М.Е. Беккер. - Рига: 1978. - 231 с.

8. Хиггинс И. Биотехнология. Принципы и применение / И. Хиггинс, Д. Бест, Дж. Джонс. - М.: Мир, 1988. - 480 с.

9. Виестур У.Э. Биотехнология: биологические агенты, технология, аппаратура / У.Э. Виестур, И.А. Шмите, А.В. Жилевич. - Рига, 1987. - 263 с.

10. Волова Т.Г. Биотехнология / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. - 252 с.

Размещено на Allbest.ru