Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос 1. Спиртовое брожение, химизм процесса. Возбудители, их морфологические и физиологические особенности. Творческий вклад ученых в раскрытие химизма процесса

Брожение - процесс анаэробного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В ходе брожения в результате сопряженных окислительно-восстановительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов, и образуются химические соединения, которые микроорганизмы используют для биосинтеза аминокислот, белков, органических кислот, жиров и др. компонентов тела. Одновременно накапливаются конечные продукты брожения. В зависимости от их характера различают брожение:

- спиртовое - молочнокислое - маслянокислое

- пропионовокислое - ацетонобутиловое - ацетоноэтиловое

Характер брожения, его интенсивность, количественные соотношения конечных продуктов, а также направление зависят от особенностей его возбудителя и условий, при которых оно протекает (pH, аэрация, субстрат и др.).

Брожение спиртовое (брожение алкогольное)- биохимический процесс расщепления сахаров, происходящий в результате жизнедеятельности микроорганизмов или под влиянием выделенных ими ферментов.

Приготовление спиртных напитков, основанных на брожении спиртовом, было известно людям в глубокой древности. Однако суть процесса превращения сахаров в спирт выяснена только в середине 19 в. Химическое уравнение брожения спиртового дано французскими химиками А. Лавуазье (1789) и Ж. Гей-Люссаком (1815). Разноречивые мнения о сущности брожения привели к длительному научному спору между Л. Пастером и Ю. Либихом. Согласно химической теории Ю. Либиха молекулярные колебания белковых веществ передаются сахару, расшатывают его молекулу, превращая ее в молекулы спирта и диоксида углерода. Убедительные опыты Пастера в 1857 с использованием микроскопических организмов -- дрожжей отвергли несостоятельную теорию Либиха. Пастером была защищена биологическая теория, определяющая брожение как результат анаэробного обмена веществ дрожжей. Работами С.П. Костычева и В.И. Палладина доказано, что анаэробный распад молекулы сахара является начальным этапом кислородного дыхания. В 1871 русский врач-биохимик М.М. Манассеина первая указала на возможность бесклеточного брожения спиртового, а в 1897 братьями Э. и Т. Бухнер была раскрыта ферментативная сущность реакций процесса благодаря использованию простого метода получения бесклеточного дрожжевого сока, разработанного русским биохимиком А.Н. Лебедевым. Процесс брожения спиртового исследовался многими выдающимися отечественными и зарубежными биохимиками и физиологами: Л.А. Ивановым, А. Гарденом, К. Нёйбергом, Г. Эмбденом, О. Мейергофом, Я. Парнасом и др. Первый значительный шаг в изучении химизма брожения спиртового был сделан Ивановым и Лебедевым, доказавшими участие фосфатов в брожении сахарных растворов. Большое значение имело открытие Иванова, доказавшего, что анаэробному распаду при брожении подвергается не свободная молекула гексозы, а предварительно образующийся ее фосфорный эфир. Последующее изучение механизма спиртового брожения показало, что первым этапом химических реакций является гликолиз, объединяющий реакции, протекающие в живых клетках до образования пировиноградной кислоты. Эти реакции осуществляются с тем же запасом энергии и тем же ферментативным путем как в анаэробных (спиртовое брожение), так и в аэробных условиях (дыхание).

Спиртовым брожением называется процесс превращения микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ:

Химизм спиртового брожения.

Приведенное выше уравнение спиртового брожения выражает его лишь в общем суммарном виде. Спиртовое брожение для дрожжей является процессом получения энергии в анаэробных условиях.

Любое брожение протекает как бы в две стадии: первая - окислительная - включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образование двух молекул восстановленного НАД - промежуточного акцептора водорода:

А во второй стадии - восстановительной - передает водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения.

Дрожжи обладают ферментом пируватдекарбоксилазой, который катализирует реакцию декарбоксилирования пировиноградной кислоты с отщеплением и образованием уксусного альдегида:

Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с , он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а регенерируется (окисляется) в НАД:

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт завершает спиртовое брожение.

Наряду с главными продуктами брожения в большом количестве образуются побочные продукты: глицерин(1-3%), уксусный альдегид, сивушные масла - смесь высших спиртов (изоамилового, изобутилового, амилового и др.) и некоторые другие вещества.

Образование дрожжами высших спиртов связано с азотным и углеводным обменами дрожжевых клеток. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения.

Общие условия спиртового брожения.

На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: химический состав среды, ее концентрация и кислотность, температура и др. Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов - сахарозу и мальтозу. Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей от 10 до 15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения снижается, а при 30-35% брожение обычно почти прекращается. Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре около 30°С, а при 40-45°С оно прекращается, так как дрожжи отмирают. При снижении температуры брожение замедляется, но не прекращается.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Спиртовое брожение могут вызвать некоторые мицелиальные грибы, однако при этом образуется значительно меньше спирта(5-7%). Брожение с образованием спирта и углекислого газа вызывают и некоторые бактерии, но по количественному соотношению между конечными и побочными продуктами, а также характеру побочных продуктов бактериальное спиртовое брожение отличается от брожения, вызываемого дрожжами.

Большое значения в изучении спиртового брожения имело открытие "бесклеточного" брожения - соком из дрожжей, не содержащим дрожжевых клеток. На основании этого был сделан вывод, что в дрожжевом соке содержится какое-то активное вещество - фермент, которое еще Бухнер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования показали, что зимаза является комплексом ферментов

По характеру брожения дрожжи делят на верховые и низовые. Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28°С. На поверхности бродящей жидкости образуется пена, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно рыхлым слоем. Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает спокойнее и медленнее, особенно при сравнительно низких температурах - 4-10°С. Газ выделяется постепенно, пены меньше, дрожжи не выносятся на поверхность и быстро оседают на дно. Спиртовое брожение протекает нормально в анаэробных условиях, при этом дрожжи почти не размножаются. В среде, богатой кислородом, дрожжи ведут себя как аэробные организмы и активно размножаются.

К расам низового брожения относится большинство винных и пивных дрожжей, к расам верхового - спиртовые и хлебопекарные.

Дрожжи широко распространены в природе. Встречаются на фруктах, ягодах, винограде, в почве и воздухе, особенно в летнее время. Принято различать культурные и дикие дрожжи. Применение чистых культур специально селекционированных микроорганизмов - важный этап борьбы за качество и чистоту процесса брожения. Чистые культуры дрожжей размножают в производственных лабораториях на оптимальных для их роста средах, пересевая во все возрастающие емкости. В стадии высокой физиологической активности культуры передают в цех, где продолжают выращивать в дрожжерастительных аппаратах на обогащенных производственных субстратах и затем используют в технологическом процессе. В цехах создают условия, необходимые для жизнедеятельности дрожжей в заданном направлении и позволяющие подавить рост микроорганизмов Дикие дрожжи имеют более слабую бродильную способность и образуют вещества, придающие неприятные привкус и запах. Попадая в пищевые продукты, они могут наносить значительный урон ряду отраслей пищевой промышленности. Так, при производстве сахара дрожжи вызывают разложение сахарозы, ослизнение соков и сиропов, образуют органические кислоты, ухудшают процесс фильтрации, снижают качество полупродуктов и готовой продукции. Дрожжи, развивающиеся в рассолах при квашении различных овощей и фруктов, образуют при доступе воздуха пленку на поверхности или размножаются в глубинных слоях.

В целом структура дрожжевой клетки мало отличается от структуры клеток растения. Как и любой организм подгруппы эукариотов, дрожжевая клетка включает клеточную оболочку, цитоплазму и ядро.

Клеточная стенка дрожжей относительно толстая и жесткая. В ее состав входят полисахариды -- маннан и глюкан в примерно равном соотношении. Кроме того, клеточная стенка содержит белки. На внутренней стороне стенки клетки локализованы ферменты: инвертаза, фосфатаза, пептидаза и другие гидролазы. Оболочка дрожжевой клетки играет роль защитного покрытия, так как она устойчива против механического воздействия. Она придает клетке специфическую форму. Подсчитано, что поверхность клеток, содержащихся в 1 л бродящего сусла, равна 10 м2, хотя по внешнему виду клеточная оболочка выглядит гладкой, фактически она представляет собой тонкую решетку, активная поверхность которой составляет еще большую площадь. Этим объясняется быстрота обмена веществ у дрожжей. В то же время оболочка имеет относительно мелкие поры. Коллоиды с молекулярной массой более 4500 через них не проходят. В результате этого дрожжи не могут использовать белки среды непосредственно. Клеточную оболочку следует рассматривать как некий фильтр, пропускающий только макромолекулы. Роль ферментов стенки заключается в том, чтобы обеспечивать проникновение гидролизуемых веществ. Цитоплазматическая мембрана сама состоит из трех исключительно тонких слоев, образованных липидами, белками, полисахаридами. Роль мембраны сводится к контролю движения веществ, содержащихся во внешней среде, внутрь клетки и обратно. С одной стороны, мембрана пропускает питательные вещества к местам их ассимиляции: ноны, сахара, аминокислоты, витамины и другие, с другой -- она контролирует выделение в среду продуктов метаболизма, таких, как этанол и другие вещества. Этот непрерывный обмен между дрожжами и средой происходит посредством систем транспортеров. Они придают цитоплазматической мембране свойства высокоселективного фильтра.

В зависимости от условий возможны два вида размножения спорогенных дрожжей: вегетативное -- бесполое и половое с образованием спор. При размножении почкованием ядро клетки перемещается к периферии, вытягивается; часть его проникает в почку, которая появляется на поверхности клетки. Когда почка достигает достаточных размеров, она отделяется от материнской клетки; образованная таким путем новая клетка в свою очередь будет почковаться. Дочерняя клетка может также оставаться связанной с клеткой-матерью, в результате чего образуются колонии, длинные цепи или скопления дрожжей. Почкование называют полярным, если новая клетка появляется на одном из концов материнской клетки; биполярным, когда почки развиваются на обоих концах, и мультиполярным, если почки появляются в любом месте. В случае размножения делением, которое напоминает деление бактерий, клетка удлиняется, ядро вытягивается, делится пополам, после чего появляется перегородка, разделяющая материнскую клетку. Обе дочерние клетки отделяются повторным делением по этой перегородке, не изменяя общей формы дрожжей. При неблагоприятных условиях развития дрожжей, например, когда исчерпан весь сахар из питательной среды, спорообразующие дрожжи перестают почковаться, оболочка утолщается и клетки превращаются в аски, содержащие одну или несколько аскоспор.

Вопрос 2. Химический состав клетки и потребность микробов в воде, азотсодержащих веществах

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Сходство в строении и химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения

По содержанию элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на 3 группы:

1. Макроэлементы. Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99% всей массы клетки. Особенно высока концентрация четырех элементов: кислорода, углерода, азота и водорода (98% всех макроэлементов). К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это, например, такие элементы, как калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор.

2. Микроэлементы. К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001%; в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др.

3. Ультра микроэлементы. Концентрация их не превышает 0,000001%. К ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие редкие элементы.

Роль ряда ультра микроэлементов в организме еще не уточнена или даже неизвестна (мышьяк). При недостатке этих элементов могут нарушаться обменные процессы. Молекулярный состав клетки сложен и разнороден.

Неорганические соединения -- вода и минеральные вещества -- встречаются также в неживой природе; другие -- органические соединения (углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.) -- характерны только для живых организмов.

Минеральные соли.

Большая часть неорганических веществ в клетке находится в виде солей -- либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии. Из катионов важны К+, Na+, Са2-, Mg2+, а из анионов H2PO4-, Cl-, НС03-.

Концентрация различных ионов неодинакова в различных частях клетки и особенно в клетке и окружающей среде. Так, концентрация ионов натрия всегда во много раз выше во внеклеточной среде, чем в клетке, а ионы калия и магния концентрируются в значительно большем количестве внутри клетки.

Ионы клетки способствуют поддержанию постоянного осмотического давления внутри клетки и рН. В норме реакция клеток слабощелочная, почти нейтральная, обеспечиваемая содержащимися в клетке анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СО3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы, т.е. способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов.

Роль воды в живой системе -- клетке

За очень немногими исключениями (кость и эмаль зуба), вода является преобладающим компонентом клетки. Вода необходима для метаболизма (обмена) клетки, так как физиологические процессы происходят исключительно в водной среде. Молекулы воды участвуют во многих ферментативных реакциях клетки. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза.

Вода служит источником ионов водорода при фотосинтезе

Азот -- элемент, входящий в состав белков. По отношению к источникам азотного питания среди микроорганизмов можно выделить автоаминотрофы и гетероаминотрофы. Первые способны использовать азот неорганический (аммонийный, нитратный, молекулярный) или простейшие формы органического азота (мочевина) и из этих соединений строить разнообразнейшие белки своего тела. При этом все формы азота сначала переводятся в аммонийную. Эта наиболее восстановленная форма азота легко трансформируется в аминогруппу.

Гетероаминотрофы нуждаются в органических формах азота -- белках и аминокислотах. Некоторым из них требуется полный набор аминокислот, другие способны из одной-двух аминокислот путем их преобразования создавать необходимые белковые соединения.

Вопрос 3. Микробиология яиц. Факторы резистентности в яйце. Эндогенное и экзогенное обсеменение. Яйцо- фактор передачи возбудителей инфекций. Способы предотвращения порчи яиц

Яйцо птицы представляет собой сложный биологический комплекс, в который входят все необходимые для жизни организма питательные и биологически активные вещества, заключенные в защитные оболочки.

Содержимое свежеснесенных яиц, полученных от здоровой птицы, как правило, свободно от микроорганизмов. Стерильными яйца остаются довольно долго и во время хранения. Это можно объяснить тем, что яйцо представляет собой живую зародышевую клетку (гигантских размеров), обладающую естественным иммунитетом, а также тем, что скорлупа яиц, пленка из высохшей слизи на ней и подскорлупные оболочки препятствуют проникновению микробов. Из яйца в процессе дыхания через скорлупу выделяется углекислый газ. В связи с этим внутрь яиц устремляется воздух, вместе с которым могут попадать и микробы. Одновременно идет усыхание содержимого яйца. Проникновение микрофлоры усиливается при нарушении целостности защитных пленок и самой скорлупы. Однако большинство микроорганизмов гибнет под влиянием лизоцима (иммунного вещества, содержащегося в яйце). При продолжительном хранении постепенно нарушается целостность оболочек, снижается активность защитных (иммунных) факторов и яйцо может подвергнуться микробиологической порче. При хранении яиц во влажной атмосфере происходит увлажнение скорлупы. На ней поселяются плесневые грибы, дрожжи, бактерии. Надскорлупная оболочка разрушается микробами и постепенно через поры скорлупы они проникают внутрь. Обсеменение (заражение) яиц микроорганизмами может быть эндогенным и экзогенным

Эндогенное обсеменение.

Заражение содержимого яйца происходит в процессе его формирования в яичнике и яйцеводе больных птиц или бактерионосителей при сальмонеллезе, туберкулезе, орнитозе, пастереллезе, инфекционном бронхите, микоплазмозе, лейкозе и ряде других инфекционных болезней. Яйца, полученные от птицы, больной инфекционной болезнью, часто содержат возбудителя болезни. Возбудители многих инфекционных болезней птицы передаются трансвариальным путем, т. е. через яйцо. Нередко птицы являются скрытыми носителями возбудителей инфекционных болезней и также могут нести яйца, содержащие эти патогенные микроорганизмы.

Эндогенное заражение яиц вирусами наблюдается также при иммунизации птицы живыми вирусвакцинами, используемыми в промышленном птицеводстве. В связи с этим вакцинацию необходимо заканчивать до начала сбора пищевых яиц, т. е. перед комплектованием птичников. Кроме того, эндогенное обсеменение яиц микроорганизмами возможно при наличии у птицы авитаминоза и при заболеваниях яичников и яйцеводов различной этиологии. При этом в яйцах кроме возбудителя болезни часто содержатся золотистые стафилококки, синегнойная палочка, флуоресцирующие бактерии, бактерии рода протеус, бактерии группы кишечных палочек и другие микроорганизмы.

Экзогенному обсеменению яиц микробами способствует загрязнение скорлупы фекалиями птиц (пометом), землей, пером, подстилкой, грязной тарой, грязными руками и т. д. В зависимости от загрязненности скорлупы количество микроорганизмов на ней варьирует в больших пределах. На 1 см поверхности скорлупы чистых яиц обычно находятся десятки, сотни, очень редко тысячи микробных клеток, а на загрязненных яйцах - десятки тысяч и даже миллионы микробных клеток.

Наиболее часто загрязнение скорлупы патогенными и условно-патогенными микроорганизмами происходит при напольной системе содержания птицы в птичниках с плохо оборудованными гнездами, подстилкой неудовлетворительного качества и нарушением микроклимата. При напольном содержании птицы получают до 20-25 % яиц с загрязненной скорлупой. При содержании птицы в одноярусной автоматизированной батарее с высоким уровнем механизации создаются хорошие санитарно-гигиенические условия, что обеспечивает наиболее высокий выход яиц с чистой поверхностью скорлупы (до 96 %).

Попавшие на скорлупу микроорганизмы могут проникать в содержимое яйца. Проникновению микробов в яйцо способствуют повышенная влажность воздуха (так как влажная скорлупа наиболее проницаема для микроорганизмов) и колебания температуры. В этом случае наружный воздух всасывается в яйцо через поры скорлупы, с ним вовнутрь попадают микробы.

Через яйцо передаются инфекции, общие для человека и птицы. Яйца птицы, особенно водоплавающей, часто служит источником заражения туберкулезом и сальмонеллезом. Находящиеся в яйцах сальмонеллы беспрепятственно размножаются, так как лизоцим на них не действует. Наиболее благоприятной средой для сальмонелл является желток. Так же через поры скорлупы в яйцо проникают холерный вибрион и другие микробы. Туберкулезные бактерии были выделены из яиц не только явно больной, но и реагирующей на туберкулин птицы.

Длительное хранение яиц даже при отсутствии в них микробов приводит к изменению их содержимого. Замедлить изменения в яйце можно под действием низкой температуры. Для этого яйца помещают в холодильник при температуре 2-2,5 °C и влажностью 85%. (до 6 мес.). Яйца, имеющие пороки, хранятся плохо. Установить пороки можно овоскопией. Так же яйца можно консервировать. Существует несколько методов:

- высушивание яичной массы. Распыление в дисковых сушилках.

- замораживание. Белок и желток смешивают, фильтруют, разливают в жесть, запаивают и хранят при t = - 5-10°C.

- химические способы. Используют растворы извести и жидкого стекла (3-10%), в которые помещают яйца, а так же подогретое парафиновое масло.

спиртовой брожение клетка микробиология яицо

Список используемой литературы и материалов

1. Асонов Н.Р. Микробиология. - 3е изд. М.: Колос, 1997. - 352с.

2. Интернет - сайты www.academic.ru,www.eniw.ru, www.slovari.yandex.ru,www. smikro.ru,www. vinograd.info.

3. Позняковский В.М. Экспертиза мяса птицы, яиц и продуктов их переработки: Новосибирск, 2005 - 216с.

4. Сидоренко О.Д. Микробиология: Учебник для агротехнологов: М.: ИНФРА-М, 2009 - 287с.

Размещено на Allbest.ru