Маслянокислое брожение
Химизм маслянокислого брожения
Маслянокислое брожение было открыто Луи Пастером в 1861 г. Краткий суммарный эффект процесса обычно выражают следующим уравнением:
Расщепление сахара при маслянокислом брожении происходит с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода. Хотя химизм маслянокислого брожения полностью еще не изучен, тем не менее он может быть объяснен на основе реакций, протекающих при спиртовом брожении.
При маслянокислом брожении все превращения идут по тому же пути, что и при спиртовом, вплоть до образования уксусного альдегида. Однако восстановления образовавшегося ацетальдегида до этанола не происходит, так как в ферментативном комплексе маслянокислых бактерий отсутствует редуктаза. Вместо восстановления ацетальдегида происходит его альдольное уплотнение с последующей трансформацией альдоля в масляную кислоту. Альдольное уплотнение катализируется ферментом карболигазой:
В качестве побочных продуктов брожения часто образуется этиловый спирт, а также бутиловый спирт, ацетон и уксусная кислота.
Возбудители маслянокислого брожения
Маслянокислые бактерии являются облигатными анаэробами. Сюда относятся Clostridium pasteurianum, Clostridium butyricum, Clostridium amylobacter, Clostridium saccharobutyricum и др.
Маслянокислое брожение - чрезвычайно распространенный в природных условиях процесс анаэробного разложения органических веществ, поэтому возбудителей этого брожения можно обнаружить всюду, где есть растительные остатки, - в почве, в илах водоемов и других естественных субстратах, лишенных доступа кислорода, а также в кишечнике человека и животных. Оптимальная температура развития 30-40 °С. Маслянокислое брожение - одно из важнейших звеньев в бесконечной цепи круговорота веществ в природе.
Маслянокислые микроорганизмы (рис. 29 и 30) - довольно крупные (3-12 х 0,8-1,5 мкм) подвижные палочки с перитрихиальным жгутованием, образующие полярно или центральна расположенные споры эллипсоидной или цилиндрической формы. При спорообразовании клетки маслянокислых микробов раздуваются, напоминая веретено, а изредка барабанные палочки.
Споры возбудителей маслянокислого брожения весьма термоустойчивы, свободно выдерживают кипячение в течение нескольких минут. Характерной особенностью этой группы микробов является способность накапливать в цитоплазме клеток запасное крахмалоподобное вещество - гранулезу, окрашивающуюся йодом в синий цвет. Гранулезная реакция, очень редко наблюдающаяся у других видов, обусловила появление у маслянокислых микробов дополнительного родового названия Granulobacter. В отношении условий развития, за исключением строгой анаэробности, маслянокислые микроорганизмы оказываются очень неприхотливыми. Они могут использовать для своего питания самые разнообразные источники углерода различные сахара, молочную, пировиноградную кислоты, маннит, глицерин, а наличие в комплексе ферментов энергичной амилазы дает им возможность непосредственно сбраживать и крахмал. В качестве источников азота они используют пептон-аминокислоты, аммонийные соли, а микроб Cl. pasteurianum свободно живущий в почве, способен фиксировать даже атмосферный азот.
Для консервного производства и других пищевых производств маслянокислое брожение является вредным процессом. Споры маслянокислых бактерий способны выдерживать непродолжительное кипячение (в течение 1-2 мин), поэтому они могут сохраниться в пастеризованных и даже в стерилизованных продуктах, особенно в тех случаях, когда сырье бывает сильно загрязнено землей и плохо промыто. Сохранившиеся после термической обработки споры маслянокислых бактерий развиваются в вегетативные клетки. В процессе жизнедеятельности, возбуждая маслянокислое брожение, они разлагают углеводы (крахмал, декстрины, гексозы, пентозы), некоторые спирты (глицерин и маннит), соли молочной и пировиноградной кислот. Образующиеся при брожении масляная кислота, CO2 и водород изменяют вкусовые качества консервов. Консервы становятся непригодными к употреблению.
При наличии азотистых веществ в пищевых продуктах при развитии маслянокислых бактерий появляется резкий запах аммиачных соединений. Из маслянокислых бактерий порчу консервированных продуктов вызывают спорообразующие анаэробы типа Cl. pasteurianum. Обладая сахаролитическими свойствами, эти микроорганизмы являются возбудителями газового бомбажа фруктовых консервов и томатопродуктов. Порчу консервов вызывают и анаэробы, родственные Cl. butyricum (в частности, бомбаж цельноконсервированных томатов).
Однако при переработке свежего сырья и при строгом соблюдении санитарного и технологического режима порчи консервированных продуктов под воздействием маслянокислых бактерий не происходит, тем более что споры этих бактерий в кислой среде нетермостойки и погибают при нагревании продукта до 100 °С.
Кроме консервов, маслянокислые бактерии вызывают порчу молока, вспучивание сыров. Маслянокислое брожение может возникнуть в муке с большой влажностью, что придает продукту горький вкус. Может возникнуть маслянокислое брожение и в квашеных овощах. Иногда наблюдается массовая порча картофеля, хранящегося в буртах.
Однако масляная кислота и ее сложные эфиры находят широкое техническое применение. Метиловый эфир масляной кислоты (яблочная эссенция), этиловый спирт (грушевая эссенция) и амиловый эфир (ананасная эссенция) используются в качестве ароматических веществ в кондитерской и парфюмерной промышленности.
В технике масляную кислоту получают главным образом биологическим путем в результате маслянокислого брожения, используя в качестве сырья отходы крахмало-паточного, спиртового и свеклосахарного производств, сбраживая низкосортный крахмал, мелассу и прочие дешевые отходы. В качестве возбудителя брожения используют Cl. saccharobutyricum. Чтобы увеличить выход масляной кислоты; в ходе брожения ее нейтрализуют, добавляя в сбраживаемый затор мел.