Процессы молочнокислого брожения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Молочнокислое брожение

3. Спиртовое брожение

4.Пропионовокислое брожение

5. Масляно-кислое брожение

Список используемой литературы

1. Введение

В основе изготовления целого ряда молочных продуктов лежат процессы глубокого распада молочного сахара под действием микроорганизмов, называемые брожением. Вместе с тем процессы брожения сахара могут быть причины порчи молочных продуктов (излишняя кислотность, вспучивание творога, сметаны, сыра и т.д.). Существует несколько типов брожения лактозы, различающихся составом конечных продуктов.

Начальным этапом почти всех типов брожения является расщепление молочного сахара на глюкозу и галактозу под влиянием фермента лактазы ?-галактозидазы). Далее брожению подвергается глюкоза. Галактоза не сбраживается или ферментируется слабо, обычно при участии уридиндифосфатглюкозы (УДФГ) она переходит в глюкозо-1-фосфат, который после изомеризации в глюкозо-6-фосфат включается в схему превращения глюкозы:

Некоторые микроорганизмы могут сбраживать непосредственно лактозу, переводя ее в фосфорные эфиры.

Все типы брожения до образования пировиноградной кислоты идут с получением одних и тех же промежуточных продуктов и по одному и тому же пути -- пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса. Дальнейшие превращения пировиноградной кислоты могут идти в разных направлениях, которые будут определяться специфическими особенностями данного микроорганизма и условиями среды. Конечными продуктами брожения могут быть молочная, уксусная, пропионовая, масляная кислоты, спирт, ароматические вещества, диоксид углерода и другие соединения. Всем истинным процессам брожения свойственно общее правило: восстановленная на первой стадии форма НАД⁺ (за счет окисления 3-фосфоглицеринового альдегида) снова окисляется на второй стадии, передавая водород любому акцептору. Это может быть пировиноградная кислота, ацетилфосфат, ацетальдегид, диацетил, ацетоин и т.д. Таким образом, наблюдается сопряжение стадий окисления и восстановления с точным соблюдением эквивалентности.

2. Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение глюкозы является основным процессом при изготовлении заквасок, сыра и кисломолочных продуктов, а молочнокислые бактерии -- наиболее важной группой микроорганизмов для молочной промышленности. Процесс молочнокислого брожения каждой гексозы молочного сахара выражается суммарным уравнением:

Наряду с молочной кислотой могут образовываться и побочные продукты брожения.

Молочнокислые бактерии по характеру продуктов сбраживания глюкозы относят к гомоферментативным или гетероферментативным. Гомоферментативные бактерии, как показывает их название, образуют главным образом молочную кислоту (более 90%) и лишь незначительное количество побочных продуктов. Гетероферментативные бактерии около 50% глюкозы превращают в молочную кислоту, а остальное количество -- в этанол, уксусную кислоту и СО₂. Однако провести резкую границу между гомо- и гетероферментативными молочнокислыми бактериями по образующимся продуктам брожения иногда бывает трудно. Так, отмечены факты образования отдельными штаммами гомоферментативных молочнокислых бактерий от 8 до 30% побочных продуктов, а гетероферментативные бактерии под воздействием ряда факторов могут вести себя как гомоферментативные.

Более характерным признаком при делении молочнокислых бактерий на группы является путь сбраживания глюкозы. Гомоферментативные бактерии сбраживают глюкозу по гликолитическому пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса, гетероферментативные -- пентозофосфатным путем.

Гомоферментативное молочнокислое брожение. Механизм гомоферментативного молочнокислого брожения глюкозы к настоящему времени изучен довольно подробно. Превращение глюкозы в молочную кислоту протекает благодаря ряду последовательных реакций, аналогичных реакциям анаэробного гликолиза.

При гомоферментативном молочнокислом брожении из 1 моля глюкозы образуются 2 моля молочной кислоты (с одновременным синтезом 2 моля АТФ).

При сбраживании глюкозы молочнокислыми бактериями могут образоваться два оптических изомера молочной кислоты: левовращающий D(-)-лактат и правовращающий L(+) лактат:

Изомеры отличаются расположением водородных атомов и гидроксильных групп у асимметрического атома углерода, отмеченного звездочкой, -- первый лактат имеет группу ОН справа и называется D-изомером (от лат. «dexter» -- правый), второй имеет ее слева и поэтому назван L-изомером (от лат. «laevus» -- левый).

L-лактат является промежуточным продуктом обмена веществ в человеческом организме и легко превращается в пировиноградную кислоту, которая окисляется до СО₂ и Н₂О в цикле трикарбоновых кислот или используется для синтеза гликогена. D-лактат, наоборот, очень медленно распадается в организме, а новорожденные его вовсе не утилизируют. Поэтому продукты для вскармливания грудных детей не должны содержать D-форму молочной кислоты или содержать ее мало. Следовательно, для приготовления детских кисломолочных смесей следует сочетать штаммы микроорганизмов, образующие L(+) или DL-молочную кислоту, например, бифидобактерии и ацидофильную палочку (а при производстве йогурта -- термофильный стрептококк и болгарскую палочку).

Молочная кислота может быть не единственным конечным продуктом гомоферментативного молочнокислого брожения. Ход брожения часто изменяется в зависимости от конкретных условий (наличия СО₂, кислорода, рН, температуры среды и т.д.). Возможные метаболические пути превращения глюкозы гомоферментативными молочнокислыми бактериями (а также другими бактериями и дрожжами) представлены на рисунке 1. Как видно из приведенной схемы, в качестве побочных продуктов могут образовываться летучие и нелетучие органические кислоты, глицерин, ацетальдегид, спирты, ацетон, ацетоин, диацетил и др.

Рисунок 1 - Возможные варианты превращения глюкозы по пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (по Мецлеру, с изменениями)

Например, некоторые виды молочнокислых бактерий сбраживают часть глюкозы в этанол, уксусную и муравьиную кислоты (рисунок 5.1, путь б). Сначала глюкоза превращается в пировиноградную кислоту, которая затем расщепляется на ацетил-КоА и муравьиную кислоту (последняя может распадаться на СО₂ и Н₂). Далее половина молекул ацетил-КоА переходит в уксусную кислоту, другая половина -- в этанол.

Данный путь сбраживания глюкозы характерен для таких нетипичных молочнокислых бактерий, как кишечная палочка Е. coli. Суммарная реакция брожения глюкозы этими бактериями имеет следующий вид:

Часть глюкозы может превращаться в янтарную, пропионовую, яблочную и другие органические кислоты (путь в). Могут образовываться ацетон, изопропиловый и бутиловый спирты, а также масляная кислота (путь г). Возможно также превращение глюкозы в ароматические вещества: ацетоин, бутандиол-2,3, диацетил (пути д и е). Однако эти вещества образуются из глюкозы лишь в небольших количествах. Более значительное их количество образуется при сбраживании лимонной кислоты.

Гетероферментативное молочнокислое брожение. Бактерии группы лейконостоков и гетероферментативные молочнокислые палочки не могут сбраживать глюкозу по гликолитическому пути, для ее расщепления они используют пентозофосфатный (фосфоглюконатный, или гексозомонофосфатный шунт) путь. Это объясняется отсутствием у них ключевого фермента альдолазы, необходимого для расщепления фруктозо-1,6-дифосфата на две молекулы триозофосфата. Пентозофосфатный путь окисления глюкозы представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Пентозофосфатный путь расщепления глюкозы гетероферментативными молочнокислыми бактериями

молочнокислый брожение лактоза ферментативный

Сначала происходит дегидрирование глюкозо-6-фосфата, катализируемое дегидрогеназой (глюкозо-6-фосфат--дегидрогеназой), которая в качестве акцептора водорода использует НАДФ⁺ или НАД⁺.

Затем 6-фосфоглюконовая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию (при участии фермента 6-фосфоглюконат--дегидрогеназы) с образованием рибулозо-5-фосфата и восстановленной формы НАД⁺ или НАДФ⁺. Рибулозо-5-фосфат под действием изомеразы далее превращается в рибозо-5-фосфат. Образовавшийся пен-тозофосфат при участии фосфокетолазы расщепляется на 3-фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат, которые соответственно превращаются в лактат и этанол.

В ходе реакций по пентозофосфатному пути из каждого моля глюкозы образуется моль молочной кислоты, моль этанола и СО₂:

Энергетический баланс брожения глюкозы, протекающего по этому пути, составляет одну молекулу АТФ. В аэробных условиях возможно образование двух молекул АТФ, тогда ацетил-фосфат превращается не в этанол, а в уксусную кислоту (см. рисунок 5.2).

Фруктозо-6-фосфатный путь расщепления глюкозы бифидобактериями. Бифидобактерии в отличие от пентозофосфатного пути превращают глюкозу не в глюкозо-6-фосфат, а во фруктозо-6-фосфат, который далее расщепляется фосфокетолазой на эритрозо-4-фосфат и ацетилфосфат (рисунок 3). Затем эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат под действием ферментной системы перестройки Сахаров превращается в два моля пентозофосфата (ксилулозо-5-фосфата и рибозо-5-фосфата). Далее пентозофосфат расщепляется на ацетил-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, который переходит в пируват.

Рисунок 3 - Путь сбраживания глюкоза бифидобактериями

На последней стадии пируват восстанавливается до лактата (или расщепляется до ацетата и формиата). Таким образом, образование уксусной и молочной кислот происходит в молярном отношении 3:2. Выход АТФ составляет 2¹/₂ моля на 1 моль глюкозы. Цитраты бифидобактерии не используют.

Бифидобактерии имеют низкую b-галактозидазную активность и плохо развиваются в молоке. Для стимуляции их роста целесообразно в закваски вводить культуры термофильного стрептококка обладающего повышенной b-галактозидазной активностью.

3. Спиртовое брожение

Спиртовое и пропионово-кислое брожения наравне с молочнокислым брожением не менее важны при производстве некоторых кисломолочных напитков и твердых сыров. Вместе с тем масляно-кислое брожение является причиной возникновения пороков (порчи) многих молочных продуктов и особенно сыров, вызывая получение неправильного рисунка и позднее вспучивание продукта.

Спиртовое брожение глюкозы имеет место при выработке кефира, кумыса, курунги и других кисломолочных продуктов. Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи родов Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Fabospora, Torulopsis и др. Они сбраживают глюкозу с образованием этанола и диоксида углерода:

Выход АТФ при спиртовом брожении составляет 2 моля на 1 моль глюкозы.

Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту на первой стадии спиртового брожения идет по гликолитическому пути аналогично гомоферментативному молочнокислому брожению (см. схему 1). Однако вместо восстановления до молочной кислоты она подвергается декарбоксилированию под действием пируватдекарбоксилазы с образованием СО₂ и уксусного альдегида. Уксусный альдегид далее вступает во взаимодействие с НАД-Н₂, образовавшимся ранее при окислении 3- фосфоглицеринового альдегида. В результате образуется этанол:

Кроме этанола и диоксида углерода дрожжи могут образовывать в небольшом количестве другие спирты (изобутиловый, пропиловый, глицерин и др.), уксусную, пропионовую, янтарную и молочную кислоты, а также ацетальдегид, ацетоин и диацетил.

При совместном культивировании дрожжей и уксуснокислых бактерий, например, при использовании кефирных грибков происходит неполное окисление части накопившегося этанола до уксусной кислоты (с образованием более 5 % кислоты):

4. Пропионово-кислое брожение

Возбудителем брожения являются пропионово-кислые бактерии рода Propionibacterium, которые превращают глюкозу или молочную кислоту в пропионовую и уксусную кислоты с выделением диоксида углерода. Одновременно образуется небольшое количество янтарной кислоты, ацетоина и диацетила. Если брожение начинается с глюкозы, то процесс до образования пировиноградной кислоты идет аналогично гомоферментативному молочнокислому брожению. Если же брожению подвергается молочная кислота, то путем дегидрирования (с помощью лактатдегидрогеназы) она также превращается в пировиноградную кислоту. В дальнейшем одна часть пировиноградной кислоты подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, который через ацетилфосфат переходит в уксусную кислоту (в реакциях участвуют ферменты пируватдегидрогеназа, фосфотрансацетилаза и ацетаткиназа):

Другая часть пировиноградной кислоты путем карбоксилирования (при участии карбоксилтрансферазы, которая обратимо переносит карбоксильную группу от метилмалонил-КоА на пируват) превращается в щавелевоуксусную кислоту. Далее щавелевоуксусная кислота восстанавливается в яблочную, которая в свою очередь восстанавливается в янтарную кислоту. Янтарная кислота через сукцинил-КоА и метилмалонил-КоА превращается в пропионил-КоА, который расщепляется с образованием пропионовой кислоты.

Суммарное уравнение пропионовокислого брожения глюкозы (если одна треть молекул глюкозы превращается в уксусную кислоту, а две трети -- в пропионовую) имеет следующий вид:

Общий энергетический выход составляет 2²/₃ моля АТФ на 1 моль глюкозы.

Пропионово-кислое брожение углеводов и молочной кислоты играет важную роль в процессе созревания твердых сыров с высокой температурой второго нагревания.

5. Масляно-кислое брожение

Брожение происходит в молочных продуктах под действием масляно-кислых бактерий, сбраживающих как глюкозу, так и молочную кислоту. Известно несколько типов масляно-кислого брожения, различающихся образуемыми продуктами. Так, конечными продуктами одного из типов брожения являются масляная и уксусная кислота, диоксид углерода и водород:

Выход АТФ оказывается равным 3¹/₂ моля на 1 моль глюкозы. До образования пировиноградной кислоты брожение идет по гликолитическому пути. Затем пировиноградная кислота декарбоксилируется до ацетил-КоА. Одна часть молекул ацетил-КоА переходит в ацетилфосфат и далее в уксусную кислоту. Другая часть ацетил-КоА конденсируется в ацетоацетилКоА, который через ряд реакций превращается в масляную кислоту, обладающую в больших концентрациях неприятным прогорклым запахом.

При другом типе масляно-кислого брожения наблюдается образование бутилового, изопропилового спиртов и ацетона.

Таким образом, в процессе масляно-кислого брожения наряду с масляной кислотой образуется ряд побочных веществ, часто обладающим резким, неприятным запахом, а также большое количество газов. Масляно-кислое брожение -- нежелательный процесс в молочной промышленности; продукты жизнедеятельности масляно-кислых бактерий являются причиной появления в кисломолочных продуктах неприятного вкуса, запаха и позднего вспучивания сыров.

Список используемой литературы

1. Р.Е.Киселева, Р.В.Борченко, Л.В.Кузьмичева. Биохимия молока и мяса. Учебное пособие / Саранск: ООО «Референт», 2007.

2. Малахов А. Г., Вишняков С. И. Биохимия сельскохозяйственных животных. - М.:Колос.

Размещено на Allbest.ru