Брожение пектиновых веществ

Брожение пектиновых веществ

Пектиновые вещества содержатся в растениях и играют важную роль в строении растительных тканей. Эти вещества образуют межклеточные пластинки и склеивают между собой растительные клетки, объединяя их в единое целое в ткань. Пектиновыми веществами богаты мякоть плодов, ягод, корне­плодов, листья растений и т. д. Особенно много их в яблоках и других плодах, которые используют для получения желеобраз­ной массы, широко применяемой в кондитерском производстве (при изготовлении мармелада, пастилы и др.). Эти вещества состоят из пектиновых кислот и углеводов. В воде они не раство­ряются. Однако при кипячении пектиновые вещества из нерас­творимой формы (протопектина) переходят в растворимую (пектин), вследствие чего связь между клетками ослабляется или разрушается полностью. Этим объясняется размягчение растительных продуктов после продолжительного кипячения.

Под действием бактерий пектиновые вещества подвергаются брожению, близкому к маслянокислому, в результате которого они разлагаются на более простые вещества с образованием масляной и уксусной кислот, этилового спирта, углекислого газа, водорода и др.

Брожение приводит к разрушению связи между клетками и распаду растительных тканей. Возбудителями брожения яв­ляются подвижные, спорообразующие бактерии, относящиеся к факультативным анаэробам.

Брожение пектиновых веществ имеет большое значение в природе, так как приводит к разрушению различных раститель­ных материалов. Оно постоянно протекает в почве и воде, со­держащей растительные остатки.

Пектиновое брожение используют при водяной мочке льна и других волокнистых растений.

Разложение клетчатки

Клетчатка (целлюлоза) является главной составной частью растительных тканей. Она представляет собой сложный полиса­харид, обладающий большой химической устойчивостью. Одна­ко некоторые бактерии и грибы выделяют ферменты, разрушаю­щие клетчатку. Разложение клетчатки постоянно происходит в природе и может протекать как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Брожение целлюлозы заключается в разрушении клет­чатки в анаэробных условиях с образованием масляной и уксусной кислот, углекислого газа, водорода или метана. Сущность брожения клетчатки вскрыта в 1902 г. Омелянским, который выделил две разновидности бактерий, разрушающих клетчатку: одна из них вызывает брожение целлюлозы с образованием преимущественно водорода (водородное брожение), а другая - метана (метановое брожение).

Бактерии Омелянского представляют собой спорообразующие анаэробные палочки, имеющие оптимальную температуру развития около 30°С; они широко распространены в природе.

Брожение клетчатки вызывают также некоторые термофиль­ные бактерии. Они образуют споры и являются факультативны­ми анаэробами, хорошо развивающимися при температуре 60-65°С.

Брожение клетчатки находит использование в технике при получении горючих газов, а также уксусной и муравьиной кислот из опилок, соломы и других растительных материалов, богатых целлюлозой.

Аэробное разрушение клетчатки происходит под действием различных микроорганизмов - грибов и аэробных бактерий. К их числу относятся многие грибы из родов пенициллиум, аспергиллус, ботритис, кладоспориум и других, а также актиномицеты и миксобактерии. Аэробное разрушение клетчатки имеет огромное значение в процессах разложения различных расти­тельных остатков и их минерализации в природе. В результате разложения клетчатки, а также других органических соедине­ний, в почве под влиянием грибов и бактерий образуется гумус - темноокрашеные вещество, характеризующее черноземную почву.

Окислительные процессы

Среди окислительных процессов наибольшее практическое значение имеют уксуснокислое и лимоннокислое брожение.

Оба эти брожения относятся к числу окислительных процес­сов, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов в аэробных условиях с использованием кислорода воздуха и на­зываются брожениями лишь условно.

Уксуснокислое брожение

Уксуснокислым брожением назы­вается окисление этилового спирта в уксусную кислоту под влиянием уксуснокислых бактерий.

Оно может быть выражено таким суммарным уравнением:

С2Н5ОН + О2 = СН3СООН + Н2О

Это брожение, как и спиртовое, известно с давних времен. Человек с давних пор наблюдал, что на поверхности вина или пива, оставленных в открытом сосуде, образуется сероватая пленка, а содержимое превращается в уксус. Микробиологиче­ская природа этого процесса была впервые установлена в 1862 г. Пастером.

Возбудителями уксуснокислого брожения являются уксусно­кислые бактерии, составляющие многочисленную группу палоч­ковидных, бесспоровых, аэробных бактерий. Среди них встре­чаются подвижные и неподвижные формы. Различаются они также размерами клеток, разной устойчивостью к спирту и спо­собностью накапливать больше или меньше уксусной кислоты.

Уксуснокислые бактерии выдерживают концентрацию спирта в 10-12% и образуют в среде от 6 до 11,5% уксуса.

Оптимальная температура их развития колеблется в преде­лах 20-35°С. Уксуснокислые бактерии могут соединяться в длин­ные нити или образовывать пленки на поверхности субстрата. Они широко распространены в природе и встречаются на зре­лых ягодах, плодах, в вине, пиве, квасе, квашеных овощах и т. д.

На практике уксуснокислое брожение используется для по­лучения уксуса.

Исходным субстратом для получения уксуса служит вино­градное или плодово-ягодное вино, а чаще всего - раствор, со­держащий спирт и подкисленный уксусом с целью создания благоприятных условий уксуснокислым бактериям. В такой раствор добавляют также необходимые для бактерий минераль­ные соли и другие питательные вещества.

После брожения содержание уксусной кислоты в субстрате может доходить до 9%. Такой уксус разбавляют до содержания 4,5-6% уксусной кислоты, а затем направляют в продажу.

Лимоннокислое брожение

При лимоннокислом брожении сахар под воздействием грибов окисляется в лимонную кислоту. Эту кислоту раньше получали из сока цитрусовых – лимонов и апельсинов. В настоящее время ее производят в основном путем брожения. В качестве возбудителя лимоннокислого брожения применяется гриб асспергиллус нигер.

Сырьем для производства лимонной кислоты служит сахаросодержащий продукт - меласса. Мелассный раствор, включаю­щий около 15% сахара и необходимые грибу питательные веще­ства, разливают в плоские открытые сосуды и засевают спорами гриба. Сосуды помещают в бродильные камеры, которые хоро­шо проветривают. Процесс брожения продолжается в течение 6-8 дней при температуре около 30°С.

По окончании брожения мелассный раствор из-под пленки гриба сливают, затем из него выделяют лимонную кислоту, ко­торую подвергают последующей очистке и кристаллизации. Вы­ход лимонной кислоты составляет 50-60% от количества израсходованного сахара.

В последнее время начинают применять новый метод полу­чения лимонной кислоты. При этом гриб находится не на поверхности сбраживаемого субстрата, а внедряется своим мицелием в толщу субстрата, который энергично насыщают воз­духом. Такой способ ускоряет процесс накопления лимонной кислоты в сбраживаемом субстрате.

Лимонная кислота находит широкое практическое примене­ние, она используется, например, при изготовлении кондитер­ских и кулинарных изделий, безалкогольных напитков и т. д.

Сбраживание белков

Некоторые бактерии из рода Clostridium - гнилостные анаэробы - способны сбраживать не только углеводы, но и аминокислоты. Эти бактерии более приспособлены к использованию белков, расщепляемых ими при помощи протеолитических ферментов до аминокислот, которые затем подвергаются брожению. Процесс сбраживания белков имеет значение в круговороте веществ в природе.

Разрушение жиров

Различные физико-химические факторы, а также микроорга­низмы, могут вызывать разложение и порчу жиров.

Начальной стадией разрушения жиров является их гидролиз (омыление) на глицерин и жирные кислоты. Этот процесс легко происходит при высокой температуре под действием щелочей или кислот. Под влиянием ферментов (липаз) гирдолиз проте­кает при обычной температуре. Омыление жиров при воздей­ствии ферментов происходит, например, во время переваривания жиров в пищеварительном тракте животных. Ферменты, разру­шающие жиры, вырабатываются многими микроорганизмами.

Образовавшиеся в результате гидролитического расщепле­ния глицерин и жирные кислоты затем подвергаются дальней­шему разрушению. Наиболее легко разрушается глицерин, слу­жащий для многих микроорганизмов источником углерода. Разрушение глицерина может происходить в аэробных и анаэробных условиях.

Жирные кислоты менее подвержены разрушению, однако и они постепенно окисляются, преимущественно в аэробных усло­виях. Конечной стадией разрушения глицерина и жирных кислот является их минерализация, сопровождающаяся образованием углекислого газа и воды.

Наиболее активно разлагают жиры некоторые пигментные и флуоресцирующие бактерии, микрококки и актиномицеты, а также плесневые грибы, особенно оидиум лактис и многие виды из родов аспергиллус и пенициллиум.

Разложение жиров микроорганизмами в почве и воде про­исходит постоянно, оно является составной частью общего кру­говорота веществ в природе.

Порча пищевых жиров микробами нередко наносит большой ущерб. Развитию в жирах микроорганизмов способствует нали­чие в них воды и органических примесей. Поэтому чем меньше влаги содержится в жире и чем полнее он очищен от примесей, тем лучше сохраняется.

Гнилостные процессы

Гниением называется разложение белковых веществ микро­организмами. Белки являются важнейшей составной частью жи­вого и отмершего органического мира, содержатся во многих пищевых продуктах. Белки характеризуются большим разнооб­разием и сложностью строения.

Способность разрушать белковые вещества присуща многим микроорганизмам. Одни микроорганизмы вызывают неглубокое расщепление белка, другие могут разрушать его более глубоко. Гнилостные процессы постоянно протекают в природных усло­виях и нередко возникают в продуктах и изделиях, содержащих белковые вещества. Разложение белка начинается с его гидролиза под влиянием протеолитических ферментов, выделяемых микробами в окружающую среду. Гидролиз белков протекает в несколько стадий. Первичными продуктами гидролиза яв­ляются пептоны и полипептиды, мало отличающиеся от исход­ного белка, но обладающие меньшим молекулярным весом. Пептоны и полипептиды затем расщепляются более глубоко, до образования аминокислот, которые являются конечными про­дуктами гидролиза.

П

роцесс гидролиза белка можно представить в виде следующей схемы: белок пептоны полипептиды аминокислоты.

Аминокислоты подвергаются дальнейшему рас­щеплению, в результате чего образуются различные продукты гниения, многие из которых характеризуются неприятным запа­хом (аммиак, сероводород, индол, скатол, меркаптаны и др.).

Органические соединения, получающиеся при распаде ами­нокислот, в аэробных условиях подвергаются последующему окислению вплоть до полной минерализации. В качестве конеч­ных продуктов гниения при этом образуются аммиак, углекис­лый газ, вода, сероводород и соли фосфорной кислоты, то есть минеральные вещества.

В анаэробных условиях не происходит полного окисления органических соединений, являющихся продуктами распада аминокислот.

Поэтому кроме аммиака и углекислоты среди конечных ве­ществ гниения накапливаются различные органические кислоты, спирты, амины и другие органические соединения, сообщающие гниющему материалу отвратительный тошнотворный запах. Гнилостные микроорганизмы широко распространены в при­роде.

Среди гнилостных микроорганизмов наибольшее значение имеют бактерии. Гнилостные бактерии бывают спорообразующие и бесспоровые, аэробные и анаэробные.

Чаще других гниение вызывают следующие аэробные бактерии: бациллус субтилис (сенная палочка) и бациллус мезентерикус (картофельная палочка). Обе эти бактерии по­движны и образуют споры, отличающиеся устойчивостью к вы­соким температурам.

Сенная палочка постоянно обитает на сене, благодаря чему и получила своё название. Развивается на сенном настое в виде пленки. Сенная палочка способна вырабатывать антибиотиче­ские вещества, подавляющие жизнедеятельность многих болез­нетворных и неболезнетворных бактерий. Температурный оптимум ее развития составляет 37-50°С. При разложении ею белков выделяется много аммиака.

Картофельная палочка обладает большей активностью в разрушении белков, чем сенная. Оптимальная температура ее роста 36-45°С.

Картофельная палочка (сенная палочка в меньшей мере) способна вызывать упоминавшуюся ранее картофельную бо­лезнь печеного хлеба, вследствие чего он становится тягучим и липким. Такой хлеб в пищу непригоден. Обе бактерии могут вызывать порчу многих других продуктов - молочных и конди­терских изделий, картофеля, плодов и др.

К числу гнилостных бактерий, разрушающих белковые ве­щества в аэробных условиях, относится также бациллус. микоидес. Эта бактерия широко распространена в почве. Она представляет собой подвижную спорообразующую палочку.

Наиболее распространенными и активными возбудителями гниения в анаэробных условиях являются бациллус путрификус и бациллус спорогенес.

Путрификус является подвижной, спорообразующей палоч­кой, энергично разлагает белки с выделением большого количе­ства газа.

Спорогенес - подвижная, спорообразующая палочка, при разложении белков образует много сероводорода. Споры ее термоустойчивы. Оптимальная температура развития 37°С.

Среди факультативных анаэробов разложение белка вызывает протеус вульгарис (протей). Бактерии представ­ляют собой мелкие, бесспоровые, очень подвижные палочки. Эта бактерия обладает способностью менять форму и размеры на разных питательных субстратах, вследствие чего она и полу­чила имя мифического бога Протея, необыкновенные превраще­ния которого описаны в знаменитой «Одиссее» Гомера. При разложении белка протей образует сероводород и индол, а на средах, богатых углеводами, выделяет большое количество угле­кислоты и водорода. Хорошо развивается при температуре в пределах 25-37°С.

В гнилостных процессах нередко участвует бактериум коли (кишечная палочка). Эта бактерия представляет собою корот­кую подвижную, бесспоровую палочку, относящуюся к факуль­тативным анаэробам. Она постоянно обитает в кишечнике че­ловека и животных и попадает в почву вместе с навозом. Протей и кишечная палочка, попав на пищевые продукты, способны при определенных условиях накапливать ядовитые вещества, вызывающие отравления при употреблении этих про­дуктов.

К числу гнилостных микроорганизмов относятся многие пигментные неспо ровые бактерии, флуоресцирующие бактерии, актиномицеты, различные плесневые грибы.

Таким образом, гнилостные процессы вызываются разнооб­разными микроорганизмами, состав которых зависит от харак­тера разлагаемого белкового вещества и окружающих условий.

Оптимальная температура развития для большей части гни­лостных микроорганизмов находится в пределах 25-35°С. Низ­кие температуры не вызывают их гибели, а лишь приостанавли­вают развитие. При температуре 4-6°С жизнедеятельность гни­лостных микроорганизмов подавляется. Бесспоровые гнилостные бактерии погибают при температуре выше 60°С, а спорообразующие бактерии выдерживают нагревание до 100°С.

В природе гниение играет большую положительную роль. Оно является составной частью круговорота веществ. Гнилост­ные процессы обеспечивают обогащение почвы такими формами азота, которые необходимы растениям.

Однако гнилостные микроорганизмы могут вызывать порчу многих пищевых продуктов и материалов, содержащих белковые вещества. Для предотвращения порчи продуктов гнилостными микроорганизмами следует обеспечивать такой режим их хра­нения, который исключал бы развитие этих микроорганизмов.