Материал: Вивчення біології молочнокислих, пропіоновокислих та оцтовокислих бактерій і їх ролі у бродильних процесах, що використовуються при виготовленні харчових продуктів

Вивчення біології молочнокислих, пропіоновокислих та оцтовокислих бактерій і їх ролі у бродильних процесах, що використовуються при виготовленні харчових продуктів

ВСТУП

Бактерії є самими давніми організмами, що з'явилися близько 3,5 млрд. років тому в археї. Близько 2,5 млрд. років тому вони домінували на Землі, формуючи біосферу, брали участь в утворенні кисневої атмосфери.

З давніх-давен людство почало використовувати діяльність мікроорганізмів, навіть не підозрюючи про їх існування, та емпірично удосконалювати технологію використання цих організмів в різноманітних галузях господарства. Важко точно встановити де і в яких саме галузях вперше почали використовувати життєдіяльність мікроорганізмів. Напевно, це залежало від багатьох факторів та йшло паралельними шляхами в різних народів [2, 11]. В пірамідах Єгипту, побудованих біля 6000 років тому, знаходили хліб. Єгиптяни для його приготування використовували осадки бродячого пивного суслу. У Біблії декілька разів згадується про необхідність вживання людьми кислого молока. Використання багатьох продуктів з молочнокислими бактеріями для профілактики і лікування зустрічається вже в «Каноні лікарської науки » Абу Ібн Сіна [23]. З розвитком тваринництва і землеробства та появою в зв’язку з цим деякого надлишку харчів, які необхідно було зберігати, виникає потреба розробки методів попередження псування продуктів. З цією метою використовували сушку, соління, квашення [22].

За оцінками фахівців, приблизно 80% харчових виробництв так чи інакше пов’язані з використанням мікробіологічних процесів. Найдавнішими біотехнологічними процесами є хлібовипічка, виноробство, пивоваріння, виготовлення квасу, оцту, соління та квашення плодів, овочів, м'яса та риби, виробництво сирів та кисломолочних продуктів [8].

Метою даної курсової роботи було вивчення біології молочнокислих, пропіоновокислих та оцтовокислих бактерій і їх ролі у бродильних процесах, що використовуються при виготовленні харчових продуктів.

1. БІОЛОГІЯ БАКТЕРІЙ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ У ХАРЧОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

Особливо інтенсивно мікробіологічна промисловість розвивається в останні роки завдяки розвитку сучасних технологій, що дозволяють більш детально дослідити фізіолого-біохімічні та генетичні особливості промислових штамів мікроорганізмів [23].

Найбільш поширеними мікроорганізмами, які використовуються для виготовлення харчових продуктів є молочникислі, пропіоновокислі та оцтовокислі бактерії.

.1 Молочнокислі бактерії

Молочнокислі бактерії - специфічна група мікроорганізмів, що здійснюють молочнокисле бродіння, тобто розпад вуглеводів молока до молочної кислоти. Поряд з основним продуктом бродіння - молочною кислотою - утворюються й побічні продукти: оцтова кислота, вуглекислий газ, ароматичні речовини, етиловий спирт та ін.

Відповідно до класифікації бактерій Бергі, молочнокислі бактерії належать до прокаріот (Рrосаrуоtаe), відділу бактерії (Васtеrіа), класу власне бактерії (Еиbасtеrіаlеs), до родини Strерtососсасеае (молочнокислі стерептококи та лейконостоки) та Lасtоbасillасеае (молочнокислі палички).

До родини Strерtососсасеае належать три роди: Lасtососсиs (L. lactis з підвидами L.l. lactis, L.l. cremoris, L.l. lactis biovar diacetylactis), Strерtососсиs (S. salivarius з підвидом S. salivarius subsp. thermophilus) та Lеисопоstос (Leuconostoc lactis, Leuconostoc pseudomesenteroides з підвидом Leuc. pseudomesenteroides та Leuconostoc mesenteroides з підвидами Leuc. mesenteroides subsp. mesenteroides, Leuc. mesenteroides subsp. cremoris і Leuc. mesenteroides subsp. dextmnicum). До родини Lасtоbасillасеае належить рід Lactobacillus з видами Thermobacterium (з підвидами Lb. helveticus, Lb. acidophilus, Lb. bulgaricus, Lb. lactis), Streptobacterium (з підвидами Lb. plantarum, Lb. rhamnosus (casei)) та Betabacterium (з підвидами Lb. brevis, Lb. buchneri, Lb. fermentum) [13, 14].

Молочнокислі бактерії за формою поділяють на дві групи циліндричні - лактобактерії (Рис. 1.1) і кулясті - лактококи (Рис. 1.2.) [13].

А                                   Б

Рис. 1.1 Лактобактерії: А - болгарська паличка; Б - ацидофільна паличка

Рис. 1.2 Молочнокислі стрептококи

За температурним режимом культивування молочнокислі бактерії поділяються на мезофільні, для яких оптимальна температура росту становить від 20 до З0°С, і термофільні - оптимальна температура росту яких 40 - 45°С [2, 19].

Залежно від продуктів, які накопичуються в процесі бродіння, усі молочнокислі бактерії поділяють на дві групи:

1)гомоферментативні - при зброджуванні вуглеводів молока утворюють як основний продукт розпаду молочну кислоту та незначну кількість інших продуктів;

2)гетероферментативні - крім молочної кислоти, утворюють значну кількість інших речовин: кислоти, спирти, вуглекислий газ тощо [19].

Крім того, деякі гетерофермептативні бактерії можуть продукувати чотиривуглецеві сполуки - ацетоїн і діацетил. Останній має приємний запах, а тому продуктам, у яких розвиваються ці бактерії, притаманний характерний аромат [9, 13].

Ще одна ознака молочнокислих бактерій - це їх потреба в ростових речовинах. Жодний з представників цієї групи не може рости на середовищі з глюкозою і солями амонію. Більшість потребує ряду вітамінів (лактофлавін, тіамін, пантотенову, нікотинову та фолієву кислоти, біотин) і амінокислот, а також пуринів і пиримідинів. Культивують ці бактерії переважно на складних середовищах, які мають відносно велику кількість дріжджового екстракту, томатного соку, молочної сироватки і навіть крові. Несподіваним видалось те , що деякі молочнокислі бактерії (та інші організми, здійснюючі бродіння) при рості на середовищах, що містять кров, утворюють цитохроми та навіть здатні здійснювати фосфорилювання в дихальному ланцюзі. Молочнокислі бактерії не можуть, відповідно, синтезувати порфиріни; якщо ж порфиріни додані в живильне середовище, то деякі з цих бактерій здатні утворювати відповідні гемінові пігменти [14, 27].

Таким чином, молочнокислі бактерії - це свого роду «метаболічні інваліди» які, напевно , в результаті своєї спеціалізації (ріст в молоці та інших середовищах, збагачених живильними та ростовими речовинами), втратили здатність до синтезу багатьох метаболітів. З іншої сторони, багато з них не мають здатності такої, якої не було б у більшості інших мікроорганізмів; вони можуть використовувати молочний цукор (лактозу). В цьому вони подібні з багатьма кишковими бактеріями (наприклад, Escherichia coli). Лактоза в рослинному царстві, напевно не зустрічається. Вона утворюється у ссавців, виділяється з молоком і відповідно з ним же поглинається. Таким чином, здатність використовувати лактозу можна вважати пристосуванням до середовища, характерного для кишечника ссавців. Лактоза - дисахарид, який, перш ніж вступити на шлях катаболізму гексоз, повинен бути розщепленим. Галактоза після фосфорилювання перетворюється в глюкозофосфат [19, 27].

В зв'язку з утворенням великої кількості молочної кислоти живильне середовище для молочнокислих бактерій має бути достатньо буферним. Частіше за все з цією метою додають карбонат кальцію. На агаризованному середовищі з СаСО3 («меловому агарі») утворення кислоти визначається по прозорим ореолам навколо колоній [24].

Розповсюдження молочнокислих бактерій в природі визначається їх складними потребами в живильних речовинах та способом отримання енергії (тільки бродіння). Ці бактерії майже ніколи не знаходяться в грунті або водоймах. В природних умовах вони зустрічаються:

а) в молоці, місцях його переробки та молочних продуктах(Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. helveticus, L. casei, L. fermentum, L. brevis; Streptococcus lactis, S. diacetilactis);

б) на рослинах і на розкладених рослинних рештках (Lactobacillus plantarum, L. delbriickii, L. fermentum, L. brevis; Streptococcus lactis; Leuconostoc mesenteroides);

в) в кишечнику та на слизових оболонках людини та тварин (Lactobacillus acidophilus; Bifidobacterium; Streptococcus faecalis, S. salivarius, S. bovis, S. pyogenes, S. pneumoniae) [14].faecalis - звичайний житель кишечника людини; S. bovis розповсюджений в травному тракті жувальних. Багато стрептококів являються сапрофітами слизових рота, дихальних та сечових шляхів, статевих органів; однак серед стрептококів є і паразити крові - вірулентні збудники хвороб [2].

Завдяки утворенню великої кількості молочно кислоти, до якої самі вони в значній мірі толерантні, молочнокислі бактерії за підходящих умов можуть доволі швидко розмножуватись, витісняючи інші мікроорганізми. По цій причині їх легко культивувати на елективних середовищах і легко виділяти. «Природні накопичувальні культури» цих бактерій знаходяться в кислому молоці та молочних продуктах, кислому тісті, квашеній капусті, силосі і т.д. [2].

Загальною рисою всіх молочнокислих бактерій є висока цукролітична здатність. Вони грампозитивні, неспороутворючі, переважно нерухливі факультативні анаероби [9].

1.2 Пропіоновокислі бактерії

Пропіонобактерії належать до родини Propionibacteriaceae, роду Propionibacterium, який налічує 8 видів, але в молочній промисловості і, зокрема, у сировиробництві здебільшого використовують Propionibacterium shermanii. [13].

Пропіоновокислі бактерії при розщепленні молочного цукру (а в сирах - солей молочної кислоти) утворюють пропіонову, оцтову кислоти та їх солі, а також вуглекислий газ. Пропіоновокисле бродіння, викликане пропіоновокислими бактеріями, має велике значення при виробництві сирів із тривалим періодом дозрівання [14].

Ці бактерії існують у рубці та кишечнику жуйних тварин (корови, вівці), де вони беруть участь в утворенні жирних кислот, головним чином, пропіонової та оцтової. Завдяки цим бактеріям молочна кислота, яка утворюється в результаті різних видів бродінь, перетворюється на пропіонову. Пропіоновокислі бактерії не зустрічаються в молоці, у ґрунті, у водоймах. Рід Propionibacterium складається з грампозитивних нерухомих палички, які не утворюють спор. Ці бактерії не переносять присутності кисню, ростуть в анаеробних умовах, регенерують АТФ за рахунок бродіння. На основі таких ознак їх довго вважали організмами, які облігатно здійснюють бродіння. Проте у них були виявлені такі ферменти, як каталаза та цитохроми. Пізніше було встановлено, що представники роду Propionibacterium здатні рости і в аеробних умовах (за слабкої аерації), але при цьому треба мати на увазі, шо кисень все-таки є для них токсичним. Таким чином, щодо кисню пропіоновокислі бактерії є мікроаеротолерантними організмами. Крім роду Propionibacterium, до пропіоновокислих бактерій відносять Veillonella alcalescens, Сlоstridium рrоріопісит, представників родів Selenomonas, Місroтопоsроrа. В анаеробних умовах ці бактерії зброджують сахарозу, глюкозу, лактозу, пентози, а також малат, лактат, гліцерин та інші субстрати з утворенням пропіонової кислоти. Розщеплення гексоз здійснюється гліколітичним шляхом [19, 27].

Пропіоновокислі бактерії нерухливі, короткі чи дрібні палички різної форми, розташовуються поодиноко, парами, короткими ланцюжками, у вигляді букв V або Y чи групами й у вигляді китайських ієрогліфів (рис. 1.3). [13].

Рис. 1.3 Бактерії роду Propionibacterium.

Пропіоновокислі бактерії краще розвиваються без доступу кисню (анаероби), проте є види, що розмножуються за незначного доступу кисню. Оптимальна температура росту пропіоновокислих бактерій становить 30 - 35 °С при рН близько 7. Для свого росту потребують наявності в середовищі білків, амінокислот, але можуть розвиватися і на простих джерелах азоту (наприклад, амонійних солях) за наявності вітамінів (пантотенової кислоти, тіаміну і біотину). Бактерії добре ростуть у бульйоні з пептоном, дріжджовим екстрактом і глюкозою в глибоких пробірках при вільному доступі повітря. Більшість штамів росте в глюкозному бульйоні з 20% жовчі і 6,5% NаСl [11, 27].

На щільному середовищі пропіоновокислі бактерії утворюють дрібні колонії, що можуть набувати білого, сірого, рожевого, червоного, жовтого або жовтогарячого забарвлення.

У молоці вони розвиваються повільно та згортають його через 5 - 7 діб. Незважаючи на слабке кислотоутворення, гранична кислотність молока може досягати 160 - 170°Т [15].

Пропіоновокислі бактерії використовують у виробництві сирів з тривалим терміном дозрівання, оскільки при розщепленні молочного цукру утворюють пропіонову і оцтову кислоти, які збагачують смак та запах сирів, а газ, що повільно накопичується, зумовлює утворення в сирі крупних вічок правильної округлої форми.

У процесі розмноження пропіоновокислі бактерії здатні синтезувати вітамін В12. Ураховуючи ці особливості (повільний розвиток, високу чутливість до умов середовища), пропіоновокислі бактерії широко використовують у сировиробництві (у складі заквасок для твердих сирів із тривалим терміном дозрівання) [19].

1.3 Оцтовокислі бактерії

Оцтовокислі бактерії належать до родини Acetobacteraceae, роду Acetobacter, який налічує 11 видів, але в молочній промисловості найчастіше використовують Acetobacter асetі.

Оцтовокислі бактерії викликають оцтовокисле бродіння, яке характеризується окисненням спирту спочатку в оцтовий альдегід, а потім в оцтову кислоту. Природу цього явища вперше вивчив Луї Пастер, який дослідив плівку на поверхні старого вина і виділив з неї мікроорганізми [13, 14].

Усім оцтовокислим бактеріям притаманна здатність утворювати кислоти неповним окисненням цукрів або спиртів. Більшість оцтовокислих бактерій потребує для росту складних поживних середовищ. Оцтовокислі бактерії здатні рости на середовищі з етанолом. Етанол окиснюється НАД+ - залежними алкоголь та ацетальдегіддегідрогеназами з утворенням ацетату та двох молекул НАДН. Утворений НАДН використовується для одержання АТФ у дихальному ланцюгу. Крім етанолу, оцтовокислі бактерії окиснюють велику кількість інших спиртів до відповідних кислот і кетонів: пропанол → пропіонат; ізопропанол → ацетон; гліцерин → діоксиацетон; глюкоза → глюконат; глюконат → 5-оксоглюконат.

Ці організми не здатні до синтезу катаболічних ферментів, необхідних для високоактивного розщеплення цих субстратів. У результаті кислоти й спирти виділяються до середовища.Оцтовокислі бактерії характеризуються наявністю ПХХ-залежної глюкозодегідрогенази [19, 27].

Особливий інтерес викликає здатність оцтовокислих бактерій окиснювати D-сорбітол до L-сорбози. Сорбоза потрібна у великих кількостях для синтезу вітаміну С [19].

Оцтовокислі бактерії досить поширені в природі. Містяться на фруктах і овочах, у скислих фруктових соках, оцеті, алкогольних напоях. Входять до складу природної симбіотичної закваски для кефіру.

Acetobacter асetі мають вигляд дрібних, прямих або дещо вигнутих паличок. Іноді трапляються еліптичні, подовжені, ниткоподібні, розгалужені форми або форми, що мають здуття. Рухливі, проте бувають нерухомі штами. За Грамом, фарбуються негативно. Спор і капсул не утворюють. Клітини розташовуються хаотично - по одній, у парах (диплококи), часто в ланцюжках [14].

Оптимальна температура розвитку становить 300С. Температурні межі розвитку 5 - 420С, оптимум рН 5,4 - 6,3, можуть рости при рН 4,0 - 4,5, при рН 7,0 - 8,0 майже не ростуть. Ростуть на простих і складних живильних середовищах, більшість штамів не має потреби у вітамінах. Чітко виражені анаероби [14].

Чисті культури оцтовокислих бактерій погано розвиваються в молоці, але їхній ріст покращується при спільному культивуванні з молочнокислими бактеріями. Характерними ознаками для оцтовокислих бактерій є утворення ними оцтової кислоти, помаранчевого кільця на поверхні згорнутого молока, наявність плівки на поверхні рідких підкислених середовищ, наявність у мікроскопічних препаратах рухливих форм бактерій [12, 13].

У виробництві кефіру вони відіграють позитивну роль при помірному розвитку, але в разі їх розвитку в сметані, сирі та кисляку вони можуть викликати небажаний запах і присмак оцтової кислоти, ослизнення продукту. Крім того, оцтовокислі бактерії використовують для отримання харчового оцту з вина [13].

2. БІОТЕХНОЛОГІЯ ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТВ

Біотехнологічні процеси з використанням мікроорганізмів і ферментів уже на сучасному технічному рівні широко застосовуються у харчовій промисловості. Промислове вирощування мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин використовують для одержання багатьох цінних сполук - ферментів, гормонів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків, метанолу, органічних кислот (оцтової, лимонної, молочної) і т.д. За допомогою мікроорганізмів проводять біотрансформацію одних органічних сполук в інші (наприклад, сорбіта у фруктозу). Широке застосування в різноманітних виробництвах одержали іммобілізовані ферменти. Для виділення біологічно активних речовин зі складних сумішей використовують моноклональні антитіла. А.С.Спіріним у 1985 - 1988 розроблені принципи безклітинного синтезу білка, коли замість клітин застосовуються спеціальні біореактори, що містять необхідний набір очищених клітинних компонентів. Цей метод дозволяє одержувати різні типи білків і може бути ефективним у виробництві. Багато промислових технологій заміняються технологіями, що використовують ферменти і мікроорганізми [3, 10, 20].