Брожение молочнокислое: технология и необходимое оборудование. гетероферментативное молочнокислое брожение

Использование человеком[править | править код]

Молочнокислое брожение используется в приготовлении различных продуктов на основе молока (простокваши, сметаны, кефира. Для приготовления сметаны используются мезофильные бактерии и Streptococcus cremoris, йогуртов — термофильные и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, ацидофилина — Lactobacillus acidophilus, творога, мягких сыров и сливочного масла — Lactobacillus casei, которая вызывает сворачивание белка казеина. Для производства кефира используется симбиотический комплекс из лактобактерий, стрептококков и дрожжей («кефирный гриб»). Спонтанное образование простокваши вызывает , постоянно присутствующая в молоке. Кисломолочные продукты представляют собой накопительные культуры соответствующих бактерий.

Поскольку молочная кислота является естественным консервантом, молочнокислое брожение используется при квашении овощей, засолке огурцов, в заквасках для ржаных сортов хлеба и добавках для сырокопчёных колбас, а также для получения чистого лактата. С помощью молочнокислого брожения осуществляют силосование, в том числе заготовку кормовой свёклы.

Механизм[править | править код]

Как правило, молочнокислые бактерии сбраживают сахара. В зависимости от конечных продуктов молочнокислое брожение подразделяют на гомоферментативное и гетероферментативное.

Некоторые молочнокислые бактерии, наряду с сахарами, могут сбраживать органические кислоты. Так, и осуществляют так называемое яблочно-молочнокислое брожение, при котором яблочная кислота превращается в молочную под действием фермента малатдегидрогеназы. Streptococcus diacetilactis и Pediococcus ceravisiae используют лимонную кислоту, которая в небольшом количестве содержится в молоке, которая с помощью расщепляется на ацетат и оксалоацетат. Оксалоацетат далее декарбоксилируется до пирувата, который и восстанавливается до лактата.

Гомоферментативное брожениеправить | править код

Общая схема гомоферментативного молочнокислого брожения

При гомоферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через гликолиз, и около 90 % конечного продукта приходится на лактат (остальные 10 % составляют ацетат, ацетоин и этанол). Субстратом для гомоферментативного молочнокислого брожения служат лактоза, другие моно- и дисахариды, а также органические кислоты. Общее уравнение гомоферментативного брожения: глюкоза → 2 лактат + 2 АТФ.

Гомоферментативное брожение осуществляют представители родов Streptococcus, , многих видов рода Lactobacillus, которые обитают в желудочно-кишечном тракте и молочных железах млекопитающих, а также на поверхности растений.

Гетероферментативное брожениеправить | править код

Схема гетероферментативного молочнокислого брожения

При гетероферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через пентозофосфатный путь, и на долю молочной кислоты приходится лишь около половины конечного продукта. Помимо лактата, при гетероферментативном брожении образуются ацетат, этанол и углекислый газ. Основным субстратом для гетероферментативного молочнокислого брожения является мальтоза. Ацетил-КоА может преобразовываться в двух направлениях: либо окисляться до ацетата, давая ещё одну молекулу АТФ, либо восстанавливаться до этанола за счёт NADH + H+. У гетероферментативных бактерий нет ключевых ферментов гликолиза — альдолазы и — из-за чего бактерии не могут окислять сахара с помощью гликолиза. У некоторых лактобактерий гидролиз мальтозы сопровождается ее фосфорилированием с образованием глюкозо-6-фосфата и галактозы. При этом энергетический выход брожения повышается.

К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся некоторые виды рода Lactobacillus (, и другие), а также представители рода .

Некоторые гомоферментативные бактерии, оказываясь в среде, содержащей пентозы, начинают вырабатывать каталазу и могут переходить на гетероферментативное брожение. Так, Lactobacillus plantarum, обитающая на растительных остатках, использует гликолиз для окисления гексоз, а пентозы окисляет по пентозофосфатному пути с образованием лактата и ацетата.

Ряд гетероферментативных бактерий очень чувствителен к окружающим условиям. Так, , которая в качестве одного из продуктов образует этанол, при соприкосновении с кислородом производит значительное количество полисахаридов и из-за этого ослизняется.

Суть процессов брожения

Если говорить о том, что собой представляет процесс брожения, то следует указать на его биохимическую природу. Ведь, по своей сути, это просто деятельность бактерий, которые добывают себе энергию для жизни, вырабатывая при этом различные побочные продукты.

В целом брожение можно обозначить одним словом — окисление. Анаэробный распад какого-либо вещества под влиянием тех или иных бактерий, который приводит к образованию целого ряда продуктов. Какое вещество лежит в основе, а также что получится в результате, определяется типом самого процесса. Выделяют несколько вариантов брожения, поэтому существует своя классификация для данных преобразований.

История возникновения и использования брожения

Первые упоминания о том, что процесс брожения использовался людьми с целью получения определенной продукции, появились еще 5000 году до нашей эры. Именно тогда вавилоняне использовали этот способ для получения таких продуктов, как:

• вино;
• простокваша и другие молочные изделия.

Позже подобное продовольствие стали получать и в Египте, Китае, Судане, Мексике и прочих древних государствах. Стали выпекать дрожжевой хлеб, сбраживать овощные культуры, появились первые попытки консервирования.

Процесс молочнокислого брожения применялся людьми тысячелетиями

Сыры, кефиры, йогурты были важной частью трапезы во все времена. О пользе этих продуктов знали все лекари и врачеватели

Однако причины, по которым возможно превращение подобного рода, долгое время оставались неизвестными.

То, что условия брожения требуют присутствия микроорганизмов, люди даже предположить не могли. В середине XVII века Ван Гельмонт предложит ввести термин «брожение» для тех процессов приготовления пищи, которые сопровождаются выделением газа. Ведь в переводе данное слово означает «кипящий». Однако лишь в XIX веке, то есть почти двести лет спустя, французский микробиолог, химик и физик Луи Пастер открыл миру существование микробов, бактерий.

С тех пор стало известно о том, что разное брожение требует присутствия разного рода невидимых глазу микроорганизмов. Их изучение дало возможность со временем управлять брожением и направлять его в нужную человеку сторону.

Основные типы брожения

• Спиртовое брожение(осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий), в ходе него пируват расщепляется на этанол и диоксид углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии и винокурении. Если в закваске высока концентрация пектина, может также производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при выпечке, а в производстве алкоголя диоксид углерода обычно уходит в атмосферу, хотя в последнее время его стараются утилизировать.
• Молочнокислое брожение, в ходе которого пируват восстанавливается до молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии и другие организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус.

Молочнокислое брожение может происходить также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемая уже имеющимся АТФ и работой цикла Кребса. При достижении концентрации лактата больше 2 ммоль/л начинает работать интенсивнее цикл Кребса и возобновляет работу цикл Кори.

Обжигающие ощущения в мышцах во время тяжёлых физических упражнений соотносятся с недостаточной работой цикла Кори и повышением концентрации молочной кислоты выше 4ммоль/л, поскольку кислород преобразуется в диоксид углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас кислорода; в то же время нужно помнить, что болезненность в мышцах после физических упражнений может быть вызвана не только высоким уровнем молочной кислоты, но и микротравмами мышечных волокон. Организм переходит к этому менее эффективному, но более скоростному методу производства АТФ в условиях повышенных нагрузок, когда цикл Кребса не успевает обеспечивать мышцы АТФ. Затем печень избавляется от излишнего лактата, преобразуя его по циклу Кори в глюкозу для возврата мышцам для повторного использования или преобразования в гликоген печени и наращивания собственных энергетических запасов.

Считается, что анаэробный гликолиз был первым источником энергии для общих предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма генерации энергии в клетках — более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток.

• Уксуснокислое брожение осуществляют многие бактерии. Уксус (уксусная кислота) — прямой результат бактериальной ферментации. При мариновании продуктов уксусная кислота предохраняет пищу от болезнетворных и вызывающих гниение бактерий.
• Маслянокислое брожение приводит к образованию масляной кислоты; его возбудителями являются некоторые анаэробные бактерии рода Клостридиум.
• Щелочное (метановое) брожение — способ анаэробного дыхания определённых групп бактерий — используют для очистки сточных вод пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, для сбраживания избыточного активного ила.

Биохимия

Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза

Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов — единственный источник АТФ в анаэробных условиях.. В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид)

В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высокоокисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Гомоферментативное брожение

Гомоферментативное брожение молочнокислое подразумевает использование специальных форм возбудителей и отличается от гетероферментативного получаемыми продуктами и их количеством. Происходит оно по гликолитическому пути внутри клетки микроорганизма. Суть состоит, как и в целом у любого брожения, в превращении углеводов в молочную кислоту. Основное преимущество подобного процесса в том, что выход нужного продукта составляет 90%. И лишь оставшаяся часть уходит на побочные соединения.

Бактерии брожения такого типа следующих видов:

• Streptococcus lactis.
• Lactobacillus casei.
• Lactobacillus acidophilus и другие.

Какие еще вещества образуются в результате гомоферментативного брожения? Это такие соединения, как:

• этиловый спирт;
• летучие кислоты;
• углекислый газ;
• фумаровая и янтарная кислота.

Однако в промышленности этот способ получения кисломолочной продукции практически не используется. Он сохранился в природе как первоначальный этап гликолиза, он же происходит в клетках мышц млекопитающих при обширных физических нагрузках.

Технология производства нужных продуктов для питания людей подразумевает использование таких исходных углеводов, как:

А гомоферментативные бактерии не способны окислять многие из этих соединений, поэтому их использование в качестве заквасок при производстве не представляется возможным.

1.5.5.2 Пропионовокислое брожение

В сырах с высокой
температурой второго нагревания
образование глазков обуславливают
пропионовокислые бактерии, сбраживающие
молочный сахар,
молочную кислоту и ее соли.

3С12Н22О11 + 3Н2О 
8СН3СН2СООН + 4СН3СООН + 4СО2 + 4Н2О

лактоза пропионовая
к-та уксусная к-та

3СН3СНОНСООН 
2СН3СН2СООН + СН3СООН + СО2 + Н2О

молочная к-та
пропионовая к-та уксусная к-та

В процессе гликолиза
молекула органического вещества
метабилизируется до пирувата. Молекула
ПВК усложняется – карбоксилируется в
реакции, катализируемой биотинзависимым
фертментом. Донором СО2 является
метилмалонил-КоА. В реакции
транскарбоксилирования образуется
щавелеянтарная кислота (ЩУК) и
пропионил-КоА:

Рисунок 4 – Реакция
транскарбоксилирования в пропионовокислом
брожении

ЩУК в результате
трех последовательных ферментетивных
реакций превращается в янтарную кислоту,
реакции протекают с участием НАДН+ ,
возникших при окислении 3-ФГА. На сукцинат
переносится КоА-группа с пропионил-КоА,
в результате чего образуются сукцинил-КоА
и пропионовая кислота, которая выводится
из процесса и накапливается вне клетки.
Сукцинил-КоА с помощью изомеразы
превращается в метилмалонил-КоА. Эту
реакцию называют ключевой в пропионовом
брожении, т.к. в ней подготавливается
субстрат, являющийся предшественником
пропионовой кислоты, — метилмалонил-КоА.

Рисунок 5 –
Пропионовокислое брожение

В ходе реакции
образуются дополнительные продукты:

Рисунок 6 –
Дополнительные продукты пропионовокислого
брожения

Пропионовокислое
брожение рассматривается как наиболее
совершенные впособ получения энергии
в анаэробных условиях.

Пищевые продукты, получаемые с использованием брожения (по регионам)

• По всему миру: дрожжевой хлеб, спирт, вино, уксус, сыр, йогурт, пиво, сидр
• Азия
  • Индия: achar, gundruk, индийские пикули, идли
  • Юго-Восточная Азия: asinan, bai-ming, belacan, burong mangga, dalok, jeruk, кимчхи, рыбный соус, leppet-so, miang, мисо, nata de coco, naw-mai-dong, pak-siam-dong, paw-tsaynob в снегу (雪裡蕻), саке, seokbakji, соевый соус, сычуаньская капуста (四川泡菜), tai-tan tsoi, такуан, tsa tzai, цукэмоно, yen tsai (醃菜), пахучий соевый творог, некоторые виды чая
  • Центральная Азия: кумыс (кобылье молоко), кефир, шубат (верблюжье молоко), айран
• Африка: семена гибискуса, острый перцовый соус, lamoun makbouss, mauoloh, msir, mslalla, oilseed, огили, огири, гарри
• Америка: сыр, маринованные овощи, квашеная капуста, семена люпина, семена масличных культур, шоколад, ваниль, табаско, квашеная рыба, рыбьи головы, морж, тюлений жир, птица (в эскимосской кухне)
• Ближний Восток: мацони, kushuk, маринованные лимоны, айран, mekhalel, тан, торси, tursu
• Европа: сыр, квашеная капуста, кисломолочные продукты, такие как творог, кефир и простокваша, айран, мацони, квашеная рыба, сюрстрёмминг
• Россия: простокваша, сметана, квас, квашеная капуста, мочёные яблоки, мочёные сливы, мочёные груши, мочёные арбузы, мочёный виноград, бочковые солёные огурцы, солёные томаты, солёные грибы, брага
• Регионы Арктической зоны: копальхен

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ

Молочнокислое брожение лежит в основе силосования, квашения овощей, переработки молока в кисломолочные продукты и сыр. Кислый вкус черного хлеба определяется также молочной кислотой. Данные процессы вызывает группа молочнокислых бактерий, которая очень разнообразна и широко распространена в природе.

Молочнокислые бактерии обитают на поверхности растений, в молоке, на пищевых продуктах, в кишечнике человека и животных.

Молочнокислые бактерии в основном — анаэробы, но существуют виды, которые способны жить в аэробных условиях. Клетки молочнокислых бактерий по форме кокки или палочки, могут быть одиночными или соединены в цепочки.

Молочнокислые бактерии грамположительные, не способны образовывать споры, требовательны к источникам азота и витаминам (многие из них не развиваются на простых синтетических средах).

Классификация молочнокислых бактерий еще недостаточно разработана. Большинство исследователей кокковые формы объединяют в роды Streptococcus и Leuconostoc, а палочковидные — в род Lactobacillus.

Молочнокислые бактерии можно разделить:

— на гомоферментативные(конечным продуктом брожения является молочная кислота)

глюкоза молочная кислота

— на гетероферментативные(конечными продуктами брожения являются уксусная кислота, глицерин, этиловый спирт)

глюкоза молочная кислота уксусная кислота глицерин этиловый спирт

Молочнокислые бактерии сбраживают моно- и дисахариды. Часто те из них, которые обитают в молоке, сбраживают лактозу, но не действуют на сахарозу. В качестве источника азота эта группа бактерий используют пептоны, смесь аминокислот.

По отношению к температуре молочнокислые бактерии можно разделить:

— на мезофильные — с оптимумом роста 25-35 0 С

— на термофильные— с оптимумом роста около 40-45 0 С.

Отдельные молочнокислые бактерии холодоустойчивы и могут развиваться при относительно низких положительных температурах (5 0 С и ниже). При нагревании до 60-80 0 С они гибнут в течение 10-30 мин.

Молочнокислые бактерии обладают определенной протеолитической активностью, обусловливаемой действием протеиназ и пептидаз.

Протеолитическую активность проявляют как кокковые формы, так и термофильные палочки, стрептобактерии. В процессе протеолиза белков молока, особенно в начале культивирования определенных штаммов в молоке, происходит накопление аминокислот: главным образом аспарагиновой кислоты, глицина, серина, глутаминовой кислоты, треонина, тирозина, валина, фенилаланина, изолейцина, а также пептидов.

Молочнокислые палочковидные бактерии обладают большей протеолитической активностью, чем кокковые формы. Так, L.bulgaricus, L.casei могут переводить до 25-30% казеина в растворимую форму, тогда как Str. cremoris и Str.lactis — 15 — 17%.

Гидролиз белков молока молочнокислыми бактериями осуществляется с помощью внеклеточных протеиназ. Существует прямая зависимость между степенью созревания сыра, его вкусом, ароматом и содержанием в нем свободных аминокислот, накапливаемых протеолитически активными молочнокислыми бактериями.

Для молочнокислых бактерий лучшая питательная среда — молоко. В нем есть все необходимые вещества для развития этих микроорганизмов. В такой среде могут развиваться и другие микроорганизмы: дрожжи, плесени, гнилостные, маслянокислые бактерии. Но молочная кислота быстро подавляет их рост.

Если простокваша долго сохраняется на воздухе, то на ее поверхности образуется белая бархатистая морщинистая пленка. Такая же пленка бывает на поверхности рассола при квашении огурцов, капусты и других овощей. Это и есть молочная плесень — Geotrichum candidum. Она всегда сопутствует молочнокислому брожению и является его нежелательным спутником. Окисляя молочную кислоту, образуемую молочнокислыми бактериями, до углекислого газа и воды, молочная плесень снижает кислотность. В результате в среде начинают развиваться гнилостные бактерии.

77.243.189.108 studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock! и обновите страницу (F5)очень нужно

Гетероферментативное молочнокислое брожение

Этот способ является именно тем промышленно применимым, благодаря которому и осуществляется производство всей кисломолочной продукции, осуществляется консервация овощей, происходит заготовка силосных кормов для скота.

Основное отличие от описанного ранее — это то, что молочнокислое брожение возбудители осуществляют с образованием большего числа побочных продуктов. Лишь 50% сахара перерабатывается бактериями в молочную кислоту, остальной же уходит на формирование таких молекул, как:

• уксусная кислота;
• глицерин;
• диоксид углерода;
• этиловый спирт и прочие.

Чем это лучше и выгоднее, чем образование 90% чистой молочной кислоты при гомоферментативном методе? Все дело в том, что когда основного продукта вырабатывается слишком много, то жизнедеятельность многих бактерий угнетается совсем. Кроме того, продукты теряют многие вкусовые качества, которые приобретают благодаря побочным соединениям. Так, например, приятный аромат консервированных овощей обеспечивается уксусной кислотой и изоамиловым спиртом. Если же этих соединений не будет, то результат консервации станет совсем иным.

Выход молочной кислоты в 50% вполне достаточен для подавления развития и жизнедеятельности всех посторонних грибков и микроорганизмов в системе. Потому что даже 1-2% вызывают слишком сильное подкисление среды, в которой не могут существовать никакие иные организмы, кроме молочнокислых бактерий. Весь процесс осуществляется по

Условия брожения при гетероферментативном способе должны быть следующими:

• хорошая и свежая закваска, добавляемая на первоначальном этапе;
• оптимальные внешние условия, которые подбираются для каждого продукта индивидуально;
• качественное и отлаженное оборудование;
• все необходимые для процесса технические приспособления.

Среди внешних условий особое значение имеет температура процесса. Она не должна быть слишком высокой, но и холод резко затормозит весь ход брожения.

Сегодня существует специализированная емкость для брожения, которая автоматически создает все необходимые условия для правильной и комфортной работы микроорганизмов.