: Главная arrow Клетка и ее структура arrow Молочнокислое брожение и семейство Lactobacillaceae  

Молочнокислое брожение и семейство Lactobacillaceae

Печать E-mail
 

 

Молочнокислые бактерии объединяют в сем. Lactobacillaceae. Хотя эта группа морфологически гетерогенна (включает длинные и короткие па­лочки, а также кокки), в физиологическом отношении ее можно охарактеризовать достаточно хорошо. Все относящиеся к ней бактерии грам-положительны, не образуют спор (за исключением Sporolactobacillus inulinus) и в подавляющем большинстве неподвижны. Все они исполь­зуют в качестве источника энергии углеводы и выделяют молочную кислоту. В отличие от Enterobacteriaceae, тоже образующих лактат, мо­лочнокислые бактерии способны только к брожению; они не содержат гемопротеинов (таких, как цитохромы и каталаза). Несмотря на это, Lactobacteriaceae могут расти в присутствии кислорода воздуха; будучи анаэробами, они все же аэротолерантны. Если какая-нибудь бактерия растет в аэробных условиях, но не образует каталазу, ее с большой ве­роятностью можно отнести к молочнокислым бактериям.

Потребность в факторах роста. Еще 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 аминокислот, а также в пуринах и пиримидинах. Культиви­руют эти бактерии преимущественно на сложных средах, содержащих относительно большие количества дрожжевого экстракта, томатного сока, молочной сыворотки и даже крови. Неожиданным оказалось то, что некоторые молочнокислые бактерии (и другие организмы, осущест­вляющие брожение) при росте на средах, содержащих кровь, образуют цитохромы и даже, возможно, способны осуществлять фосфорилирова-ние в дыхательной цепи. Молочнокислые бактерии не могут, следова­тельно, синтезировать порфирины; если же порфирины добавлены в пи­тательную среду, то некоторые из этих бактерий способны образовать соответствующие геминовые пигменты.

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 (например, Escherichia coli). Лактоза в растительном царстве, по-видимому, не встречается; она образуется у млекопитающих, выде­ляется с молоком и соответственно с ним же поглощается. Таким обра­зом, способность использовать лактозу можно считать приспособле­нием к среде, характерной для кишечника млекопитающих. Лактоза-дисахарид, который, прежде чем вступить на путь катаболизма гексоз, должен быть расщеплен:

Лактоза + Н20       ^Галактозидаза ^   0-Глюкоза + D-Галактоза

Галактоза после  фосфорилирования  превращается  в  глюкозофосфат.

В связи с образованием больших количеств молочной кислоты пита­тельная среда для молочнокислых бактерий должна быть хорошо забу-ферена. Чаще всего с этой целью добавляют карбонат кальция. На ага-ризованной среде со взвесью СаСОэ («меловом агаре») образование кислоты   обнаруживается   по   прозрачным   ореолам   вокруг   колоний.

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 или водоемах. В естественных условиях они встречаются:

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

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

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

Streptococcus faecalis -обычный обитатель кишечника человека; S. bovis распространен в пищеварительном тракте жвачных. Многие стреп­тококки являются безобидными обитателями слизистых рта, дыха­тельных и мочевых путей, половых органов; однако среди стрептокок­ков есть и паразиты крови-весьма вирулентные возбудители бо­лезней.

Благодаря образованию больших количеств молочной кислоты, к которой сами они в значительной степени толерантны, молочно­кислые бактерии при подходящих условиях могут довольно быстро раз­множаться, вытесняя другие микроорганизмы. По этой причине их лег­ко культивировать на элективных средах и легко выделять. «Есте­ственные накопительные культуры» этих бактерий содержатся в кислом молоке и молочных продуктах, кислом тесте, кислой капусте, силосе и т.п.

Катаболизм углеводов и продукты брожения. В зависимости от того, какие продукты образуются при сбраживании глюкозы-только молоч­ная кислота или также другие органические продукты и С02,-молочнокислые бактерии принято подразделять на гомофермен-тативные и гетероферментативные (табл. 8.2). Это старое деление отра­жает коренные различия в путях катаболизма Сахаров.

Гомоферментативное молочнокислое брожение. Гомоферментативные молочнокислые бактерии образуют практически только одну молочную кислоту (она составляет не менее 90% всех продуктов брожения). Ката­болизм глюкозы происходит у них по фруктозобисфосфатному пути (бактерии обладают всеми необходимыми для этого ферментами, вклю­чая альдолазу), а водород, отщепляющийся при дегидрировании глице-ральдегид-3-фосфата, передается на пиру ват:

 

Image

 

От стереоспецифичности лактатдегидрогеназы (а) и от наличия лак-татрацемазы зависит, какой продукт образуется - D ( -)-, L( + )- или DL-молочная кислота. Лишь небольшая часть пирувата декарбоксили-руется, превращаясь в уксусную кислоту, этанол и С02, а также в аце-тоин. Количество образующихся побочных продуктов зависит, по-види­мому, от доступа кислорода.

Гетероферментативное молочнокислое брожение. У гетерофермента-тивных молочнокислых бактерий нет главных ферментов фруктозобис-фосфатного пути - альдолазы и триозофосфат-изомеразы. Начальное превращение глюкозы идет у них исключительно по пентозофосфатно-му пути, т.е. через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат и рибулозо-5-фосфат (см. рис. 7.4 и 8.2). Рибулозо-5-фосфат под действием эпимеразы превращается в ксилулозо-5-фосфат, который в результате тиаминпиро-фосфат-зависимой   реакции,   катализируемой   пентозофосфокетолазой, расщепляется с образованием глицеральдегидфосфата и ацетилфосфата:

Нерастущие, отмытые клетки Leuconostoc mesenteroides сбраживают глюкозу почти стехиометрически согласно уравнению

с6н12о6 -> сн3-снон-соон + сн3-сн2он + со2

в лактат, этанол и двуокись углерода. Таким образом, у этих бактерий ацетилфосфат восстанавливается через ацетил-СоА и ацетальдегид в этанол (рис. 8.2). Другие гетероферментативные молочнокислые бак­терии переводят ацетилфосфат частично или целиком в уксусную кисло­ту, что сопровождается переносом высокоэнергетической фосфатной связи на ADP с образованием АТР. Избыток водорода передается в этом случае глюкозе, из которой образуется маннитол. Глицеральде-гидфосфат через пируват превращается в лактат. Рибозу Leuconostoc mesenteroides сбраживает в лактат и ацетат.

При сбраживании фруктозы гетероферментативными бактериями образуются лактат, ацетат, С02 и маннитол:

3 Фруктоза  -»  Лактат   +   Ацетат   +   С02   +   Маннитол

Фруктоза при этом служит акцептором избыточных восстановительных эквивалентов:

Фруктоза   +   NADH2   -»  Маннитол   +   NAD

Lactobacillus plantarum (= pentosus или arabinosus) сбраживает глюко­зу по гомоферментативному пути, а пентозы расщепляет с помощью фосфокетолазы, превращая в лактат и ацетат. Следует отметить, что да­же такая типичная гомоферментативная бактерия, как Lactobacillus casei, хотя и сбраживает глюкозу по гомоферментативному, пути, но рибозу превращает в ацетат и лактат гетероферментативным путем. Рибоза ин­дуцирует у нее синтез фосфокетолазы. Если клетки, выросшие на среде с рибозой, отмыть, то после этого они и глюкозу будут сбраживать как гетероферментативные бактерии.

Брожение, осуществляемое Bifidobacterium bifidum. Гетерофермента-тивная молочнокислая бактерия В. bifidum получила это название за

 

Image

свою V- или Y-образную форму (лат. bifidus-раздвоенный)1. Она из­вестна тем, что преобладает в кишечнике грудных детей, особенно де­тей, вскармливаемых грудью. Эту зависимость ее распространения от способа кормления грудного ребенка можно было связать с потреб­ностью бактерии в углеводах, содержащих N-ацетилглюкозамин, ко­торые имеются только в молоке человека, но не коровы. Все представи­тели рода Bifidobacterium-строгие анаэробы; они не переносят присут­ствия кислорода, и для их роста нужна атмосфера, содержащая 10% С02. С тех пор как стали известны эти необычные для молочнокислых бактерий особенности, бифидобактерии были обнаружены и в кишечной флоре взрослых людей, и во многих других местах, даже в гниющем иле, и теперь различают много видов этого рода. Бифидобактерии рас­щепляют глюкозу согласно уравнению

6Н1206   ->  2СН3    СНОН-СООН   +   ЗСН3-СООН

т.е. сбраживают ее по фосфокетолазному побочному пути. Они не имеют ни альдолазы, ни глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, но содержат активные фосфокетолазы, расщепляющие фруктозо-6-фосфат и ксилуло-зо-5-фосфат на ацетилфосфат и эритрозо-4-фосфат или глицеральде-гид-3-фосфат. Гексозы претерпевают следующие превращения:

 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 (см. стр. 289) 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 (табл. 8.3) 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 тече-

 

Image

ние 24-36 ч. Для приготовления кумыса используют ослиное молоко1, 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 лактоба-цилл 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.

 
« Пред.   След. »