Аэробное окисление органического и неорганического субстрата

Уксуснокислое брожение. Среди прокариот-аэробов имеются микроорганизмы, способные получать энергию за счет неполного аэробного окисления некоторых органических веществ.

Уксуснокислые бактерии представлены палочками небольших размеров, в молодой культуре они подвижны. Все виды – облигатные аэробы, довольно требовательные к субстратам, особенно к витаминам и в первую очередь к пантотеновой кислоте. Наиболее характерна способность бактерий этой группы окислять этиловый спирт с образованием уксусной кислоты при участии НАД-зависимых дегидрогеназ.

Уксуснокислое брожение – это окисление бактериями этилового спирта в уксусную кислоту:

СН₃СН₂ОН + О₂ = СН₃СООН + Н₂О.

Такое брожение было известно еще в глубокой древности. В оставленном на воздухе сосуде с виноградным вином или пивом через день-два на поверхности напитков появлялась сероватая пленка, они мутнели и прокисали.

Возбудителем уксуснокислого брожения является уксусный гриб (Mycoderma aceti) и уксуснокислые бактерии.

Уксуснокислые бактерии представляют собой грамотрицательные, палочковидные, бесспоровые, строго аэробные организмы. Среди них есть подвижные и неподвижные бактерии. Они кислотоустойчивы, и некоторые могут развиваться при рН среды до 3,2.

Уксуснокислые бактерии имеют родовое название Acetobacter.

В настоящее время описано около 20 видов этих бактерий, важнейшими из них являются: A. aceti, A. pasteurianum, А. огleanense, A. xylinum, A. schutzenbachii. Эти бактерии различаются размерами клеток, устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество уксусной кислоты и другими признаками. Например, A aceti накапливает в среде до 6% уксусной кислоты, A. orleanense – до 9,5%, A. schutzenbachii – до 11,5%, a A. xylinum – до 4,5%. A. aceti и A. schutzenbachii выдерживают довольно высокую концентрацию спирта – до 9-11%, a A. xylinum – лишь 5-7%.

Оптимальная температура роста для различных уксуснокислых бактерий 20-35° С. Некоторые из них способны синтезировать витамины В₁, В₂, B₁₂, однако многие сами нуждаются в витаминах и прежде всего в пантотеновой кислоте. Уксуснокислые бактерии часто встречаются в виде длинных нитей и многие образуют пленки на поверхности субстрата. Например, для A. pasteurianum характерна пленка сухая морщинистая, для A. xylinum – мощная, хрящевидная. Некоторые бактерии сплошной пленки не образуют, а дают только островки ее на поверхности жидкости или «кольцо» около стенок сосуда. Появление пленок связано с ослизнением клеточных оболочек.

Уксуснокислым бактериям свойственна изменчивость формы клеток. В неблагоприятных условиях развития бактерии приобретают необычную форму – толстые длинные нити, иногда раздутые, уродливые клетки.

Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, они встречаются на зрелых плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе.

Практическое использование уксуснокислого брожения.

На уксуснокислом брожении основано промышленное получение
уксуса для пищевых целей. До настоящего времени еще сохранился старинный «медленный» способ производства уксуса из вина. Подкисленное уксусом и разбавленное водой вино наливают в открытые чаны (бочки) и вносят кусочки пленки уксуснокислых бактерий A. orleanense. Бактерии развиваются на поверхности вина, окисляют спирт, и вино превращается в уксус. Процесс идет очень медленно. Готовый уксус частично сливают из-под пленки и добавляют новую порцию вина. Так одну и ту же пленку используют длительное время.

В промышленности для производства уксуса обычно применяют быстрый способ.

Окисление других спиртов и сахара уксуснокислыми бактериями. Уксуснокислые бактерии могут окислять не только этиловый, но и другие одноатомные спирты, например пропиловый в пропионовую кислоту, бутиловый – в масляную. Метиловый спирт и высшие одноатомные спирты эти бактерии не окисляют.

Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют до соответствующих кислот сахара альдозы, например глюкозу в глюко-новую кислоту:

2СН₂ОН(СНОН)₄СНО + О₂ -> 2СН₂ОН(СНОН)₄СООН.

Превращение глюкозы в глюконовую кислоту известно как глюконовокислое брожение. Глюконовая кислота применяется в медицине и ветеринарии.

В качестве возбудителей этого брожения используют уксуснокислые бактерии, устойчивые к повышенному содержанию глюкозы и глюконовой кислоты. Кроме уксуснокислых бактерий, глюконовую кислоту в глюкозосодержащих субстратах образуют некоторые флуоресцирующие бактерии (например, Ps. fluorescens) и некоторые плесневые грибы из родов Aspergillus и Реnicillium, которые также используются в промышленности.

Лимоннокислое брожение. Плесени в процессе дыхания также окисляют углеводы нередко не до СО₂ и Н₂О, поэтому в среде накапливаются продукты неполного окисления – различные органические кислоты (щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная и др.). Образование грибами лимонной кислоты применяют в промышленности.

Лимоннокислым брожением называется окисление глюкозы грибами в лимонную кислоту. Конечный результат брожения можно представить следующим суммарным уравнением:

2С₆Н₁₂0₆ + 30₂ -> 2С₆Н₈0₇ + 4Н₂0.

Химизм образования лимонной кислоты из сахара до настоящего времени окончательно не установлен. Большинство исследователей считает, что это брожение до образования пировиноградной кислоты протекает, как и другие брожения. Далее превращение пировиноградной кислоты в лимонную через ряд кислот (уксусную, янтарную, фумаровую, яблочную, щевелево-уксусную) сходно с превращениями в цикле Кребса.

Раньше лимонная кислота добывалась из цитрусовых плодов – лимонов и апельсинов. Этот способ очень невыгоден, так как плоды содержат только 7-9% лимонной кислоты.

В настоящее время ее получают главным образом путем брожения 1. Технические приемы биохимического получения лимонной кислоты в СССР были разработаны В. С. Буткевичем и С. П. Костычевым.

Возбудителем брожения является гриб Aspergillus niger.

Основным сырьем служит меласса – черная патока. Раствор ее, содержащий около 15% сахара, в который добавляют необходимые для гриба питательные вещества (в виде различных минеральных солей), наливают невысоким (8—12см) слоем в плоские открытые сосуды (кюветы) и засевают спорами гриба. Кюветы помещают в бродильные камеры, которые хорошо аэрируются. Процесс продолжается 6—8 дней при температуре около 30° С. Гриб развивается на поверхности сбраживаемой жидкости. Выход лимонной кислоты достигает 60—70% израсходованного сахара. По окончании брожения раствор из-под пленки гриба сливают. Лимонную кислоту выделяют из раствора и подвергают очистке и кристаллизации. При отсутствии в растворе сахара эта кислота может быть окислена грибом до более простых продуктов – щавелевой и уксусной кислот, углекислого газа и воды.

Описанный «поверхностный метод» (гриб развивается на поверхности сбраживаемого субстрата) получения лимонной кислоты заменяется в настоящее время «глубинным методом», при котором мицелий гриба растет в закрытых чанах (ферментаторах) в толще высокого слоя сбраживаемой жидкости, непрерывно перемешиваемой и аэрируемой стерильным воздухом. Этот способ повышает производительность труда, позволяет избежать заражения сбраживаемого субстрата посторонними микроорганизмами, его легче автоматизировать и механизировать.

Лимонную кислоту для технических целей получают путем переработки отходов табака и махорки.

Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, кулинарии и медицине.

Поиск по сайту: