50. Метаболизм бактерий. Брожение. Виды брожения. Микроорганизмы, вызывающие эти процессы

Метаболизм – совокупность разнообразных ферментативных реакций, происходящих в микробной клетке и направленных на получение энергии и превращение простых химических соединений в более сложные. Метаболизм обеспечивает воспроизводство всего клеточного материала, включая два единых и одновременно противоположных процесса – конструктивный и энергетический обмен.

Метаболизм протекает в три этапа:

1.катаболизм – распад органических веществ на более простые фрагменты;

2.амфиболизм – реакции промежуточного обмена, в результате которых простые вещества превращаются в ряд органических кислот, фосфорных эфиров и пр.;

3.анаболизм – этап синтеза мономеров и полимеров в клетке.

Метаболические пути формировались в процессе эволюции.

Основным свойством бактериального метаболизма является пластичность и высокая интенсивность, обусловленная малыми размерами организмов.

К метаболическим путям у прокариот относятся брожение, фотосинтез и хемосинтез. Наиболее примитивным способом получения энергии, присущим определенным группам прокариот, являются процессы брожения.

Брожение – метаболический процесс, присущий бактериям, характеризующий энергетическую сторону способа существования нескольких групп прокариот, при котором они осуществляют в анаэробных условиях окислительно-восстановительные превращения органических соединений, сопровождающиеся выходом энергии, которую эти организмы используют.

брожение протекает без участия молекулярного кислорода, все окислительно-восстановительные превращения субстрата происходят за счет его «внутренних» возможностей. В результате на окислительных этапах процесса высвобождается часть свободной энергии, заключенной в молекуле субстрата, и происходит ее запасание в молекулах АТФ. Происходит расщепление углеродного скелета молекулы субстрата.

Круг органических соединений, которые могут сбраживаться, довольно широк:

Углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины.

Может быть подвергнуто сбраживанию, если оно содержит неполностью окисленные (или восстановленные) углеродные атомы

продуктами брожений являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная, муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, пропиловый), ацетон, а также СО2 и Н2

образуется несколько продуктов. В зависимости от того, какой основной продукт накапливается в среде, различают молочно-кислое, спиртовое, маслянокислое, пропионовокислое и другие виды брожений.

В каждом виде брожения можно выделить две стороны: окислительную и восстановительную. Процессы окисления сводятся к отрыву электронов от определенных метаболитов с помощью специфических ферментов (дегидрогеназ) и акцептированию их другими молекулами, образующимися из сбраживаемого субстрата, т. е. в процессе брожения происходит окисление анаэробного типа

Энергетической стороной процессов брожения является их окислительная часть, реакции являются окислительными

Существует несколько исключений из этого правила: некоторые анаэробы часть энергии при сбраживании субстрата получают также в результате его расщепления, катализируемого лиазами.

Примитивность процессов брожения заключается в том, что из субстрата в результате его анаэробного преобразования извлекается лишь незначительная доля той химической энергии, которая в нем содержится. Продукты, образующиеся в процессе брожения, все еще содержат в себе значительное количество энергии, заключавшейся в исходном субстрате.

При дыхательном метаболизме при расщеплении глюкозы выделяется 2870,22 кДж/моль энергии, при брожении на том же субстрате извлекается 196,65 кДж/моль энергии. В процессе гомоферментативного молочнокислого брожения синтезируются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы; в процессе дыхания при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. В обоих случаях эффективность запасания выделяющейся энергии в макроэргических связях АТФ приблизительно одинакова.

При брожении некоторые реакции на пути анаэробного преобразования субстрата связаны с наиболее примитивным типом фосфорилирования – субстратным фосфорилированием, реакции которого локализованы в цитозоле клетки, что указывает на простоту химических механизмов, лежащих в основе этого типа получения энергии.

*Спиртовое брожение. При спиртовом брожении из пировиноградной кислоты в результате ее окислительного декарбоксилирования образуется ацетальдегид, который становится конечным акцептором водорода. В итоге из 1 молекулы гексозы образуются 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекислоты. Спиртовое брожение распространено среди прокариотных (различные облигатно- и факультативно-анаэробные бактерии) и эукариотных (дрожжи) форм.

Способность осуществлять в анаэробных условиях спиртовое брожение: Sarcina ventriculi, Erwinia amylouora, Zymomonas mobilis, Основными продуцентами этилового спирта среди эукариот являются дрожжи –аэробы со сформированным аппаратом дыхания, но в анаэробных условиях осуществляют спиртовое брожение по пути субстратного фосфорилирования.

*Молочно-кислое брожение бывает гомоферментативным, при котором в числе продуктов образуется до 90 % молочной кислоты, и гетероферментативным, при котором помимо молочной кислоты значительную долю в продуктах составляют СО2, этанол и/или уксусная кислота.

а)Молочнокислое брожение (гомоферментативное) – это процесс получения энергии молочнокислыми бактериями Lactococcus lactis, Lactobacterium bulgaricum, Lactobacterium planterum и т.д., заключающийся в превращении молекулы сахара в две молекулы молочной кислоты с выделением энергии:C6H12О6 = 2СН3СНОНСООН + 0,075х106 Дж

б)Молочнокислое брожение (гетероферментативное). В этом процессе кроме молочной кислоты в числе продуктов образуются уксусная, янтарная кислоты, этиловый спирт, углекислота и водород. Возбудителем этого процесса является E. coli.

Процесс, подобный нетипичному гетероферментативному молочно-кислому брожению, идет при созревании рыбы пряного посола, пресервов. В этих случаях он возбуждается ароматообразующими молочнокислымим бактериями типа Streptococcus citrovorus.

Кроме того, при порче консервов, возбуждаемой бактериями Вас. stearothermophilus и Cl. thermosaccharolyticum, в продукте накапливаются кислоты – молочная, уксусная, масляная, образование которых, вероятно, связано с процессом, подобному нетипичному молочно-кислому брожению.

*Маслянокислое брожение вызывается облигатно анаэробными маслянокислыми бактериями Cl. pasteurianum. Глюкоза в этом энергодающем процессе превращается в масляную кислоту, водород и углекислый газ:C6H12О6 = С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2 + 0,063х106 Дж

Некоторые клостридии, например, Cl. sporogenes или токсичные виды Cl. botulinum, Cl. perfringens имеют протеолитические способности и не только сбраживают углеводы, но и гидролизуют белки. Возбудители маслянокислого брожения образуют термостойкие споры, поэтому они могут сохраняться в стерилизованных консервах и вызывать их бомбажную порчу.

Известно много других брожений, отдельные типы которых различаются составом конечных продуктов, что зависит от комплекса ферментов возбудителя брожения.

Воочию убедиться, что Илья Кокотовский готовит неординарные вещи могли те, кто пришел на нашу первую встречу проекта Modern Mondays.
Кроме этого, его меню для Molto Buono- отличный пример того, как можно создавать интересные блюда, не используя ни модных отечественных специалитетов, ни западных деликатесов (которые все равно из-за санкций не купишь)
Мы с удовольствием публикуем его статью о ферментации продуктов и результатах изысканий, еще раз подчеркивая тезис о том, что хороший шеф должен обладать не только практическими знаниями, но и иметь широкую теоретическую базу

Ферментация…
Эта тема настолько обширна, что описать все в одной статье не представляется возможным.
Так что это скорее небольшой доклад, знакомство с возможностями, чем подробное руководство к действию.

Для начала парочка сухих определений. Без них, к сожалению, никак.

Брожение — это процесс анаэробного (проходящего в бескислородной среде) расщепления органических веществ, происходящий под воздействием микроорганизмов или выделенных ферментов.

Ферментация — это биохимическая переработка сырья под воздействием собственных ферментов субстрата.

Оба процесса протекают в бескислородной среде и являются метаболическими процессами.

Есть одно существенное различие — при брожении могут использоваться сторонние культуры и штаммы бактерий. Как правило- дрожжи и ферменты, полученные в результате реакции. Тогда как при ферментации используются естественные дрожжи и другие культуры субстрата, содержащиеся в нем самом.

Таким образом, ферментация- это более узкое понятие.

Чем мы обязаны брожению?

Спиртовое брожение- штамм — дрожжи
процесс- глюкоза расщепляется до этанола и углекислого газа.
продукт- хлеб и его производные, все производные пива,
виноделие.

Молочнокислое брожение- штамм- Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus.
процесс- преобразование лактозы в молочную кислоту
продукт- все производные кисломолочных продуктов.
см. Фото 1

Уксусное брожение- штамм- Acelobacter, около 10 основных разновидностей.
Процесс- распад глюкозы на этанол, углекислый газ.
Окисление этанола до уксусной кислоты.
Продукт- все производные уксусов, симбиотическая культура-
чайный гриб.

Маслянокислое брожение-штамм- Clostridium.
Процесс- результатом деятельности бактерий является
прогоркание жиров
продукт- Бактерии рода Клостридий вырабатывают наиболее сильные из известных ядов - ботулотоксин
один из видов бактерии является возбудителем ботулизма.
см. Фото 2

Продукты ферментации различны, некоторые из них прочно заняли свое место на кухнях мира, став основой для многих рецептов, другие являются опасными токсинами.
Именно поэтому любой продукт, прошедший ферментацию, обязательно подлежит анализу в лабораториях.
Нередко продвинутые рестораны имеют штатного микробиолога для контроля исходного продукта.

Есть и другой путь.
Мы можем менять продукт- его вкус, цвет, аромат, не прибегая к помощи штаммов бактерий.

Ферментативное окисление — это процесс протекающий под влиянием кислорода. По отношению к фруктам — это окисление железосодержащих соединений, а также меланина, образуемого при ферментативном окислении тирозина и пирокатехина.

Мы наблюдаем ферментативное окисление, когда видим потеменение среза яблока, айвы, банана, картофеля и многих других продуктов в большей или меньшей степени.
Для этого необходимо только присутствие кислорода, время и температура.

Вот некоторые из моих изысканий:

Чеснок- ферментативное окисление
см. Фото 3

В процессе чеснок полностью изменил структуру, поменял цвет, аромат на более тонкий, лишенный резких нот. Для ферментации я использовал теплую среду с возможностью доступа воздуха. Присутствие кислорода, это как вы уже поняли основное требование.
Для самого чеснока есть несколько путей ферментации.
1. это долгая ферментация в горячей контролируемой среде. Для этого подходит горячий бокс для хранения сухих продуктов. Температура около 30 г. ц. время — 6 недель. Такой способ длителен и результат не всегда одинаков. Очень важно сохранение влажности вокруг чеснока, поэтому ферментация проходит в индивидуальном боксе с доступов воздуха.
2. ферментация с помощью корейской ферментационной машины. Ее можно заказать по интернету. Но результат стоит того. Время ферментации сокращается до 3-х дней. Температура выше, но на конечном результате это не отражается.

Мини банан- ферментативное окисление.
см. Фото 4

Окисление банана очень вариативно, необходимо только соблюдать заданную температуру. Чем больше времени проходит ферментация, тем боле однородным и сухим он становится. Цвет меняется от терракотового до черного. Меняется аромат к более тонкому.

Этот вид ферментации более безопасен и имеет большой потенциал. Множество экспериментов и новых компонентов, вас ограничивает только ваше собственное терпение, ведь процесс как правило долгий. Кроме того это верный способ добиться пресловутого умами.

С терпением туго, меня всегда так и подмывает увидеть результат, что касается бананов, не редко конца ферментации они вообще не дожидаются,)

Следующий на очереди:
Симбиотическая структура «чайный гриб ». явление просто уникальное. И наверное самый наглядный представитель симбиоза Acelobacter и дрожжей.
Он заслуживает отдельной темы, поэтому до следующего доклада.

Ферментация — это процесс биохимического, очень часто бескислородного разложения органических соединений, проходящий при участии энзимов (ферментов). Конечные продукты этого процесса — более простые органические и неорганические соединения, а также энергия. Ферментация — процесс, напоминающий дыхание; на ней, например, основан метаболизм бактерий, она является основным средством получения необходимой для жизни энергии у приспособленных к обитанию при отсутствии кислорода бактерий и различных грибков. Брожение — это разновидность ферментации, при которой ферменты вырабатываются исключительно микроорганизмами.

Разновидности брожения.
Микроорганизмы могут вызывать брожение многих различных соединений, в том числе сахаров, жирных кислот и аминокислот, причем в каждом случае процесс идёт немного по-другому. Чаще всего встречается ферментация сахаров. В результате брожения образуются различные продукты — например, спирты или молочная кислота — поэтому выделяют, в частности, брожение спиртовое, уксуснокислое, маслянокислое и молочнокислое.

Как это происходит?
В результате брожения сахаров простые (глюкоза, фруктоза) или сложные (мальтоза, сахароза, лактоза) сахара разлагаются до этилового спирта и окиси углерода. Процесс проходит при участии дрожжей, точнее зимазы (группы ферментов, выделяемых дрожжами). Кроме спиртового брожения, очень распространено брожение молочнокислое, в результате которого образуется молочная кислота. При уксуснокислом брожении, в свою очередь, спирты окисляются до уксусной кислоты, однако в нём участвуют не дрожжевые грибки, а особенные бактерии (семейства Acetobacter). В процессе брожения образуются и другие продукты, однако во всех случаях выделяется энергия.

Использование ферментации и брожения.
Явление ферментации широко используют в пищевой, винной, пивоваренной и спиртовой промышленности. Винное брожение — то есть ферментация сахаров, содержащихся в винограде и других фруктах — применяется для производства вина. Ферментационные свойства дрожжей нашли применение в пекарском деле, так как вырабатываемая ими двуокись углерода (углекислый газ) заставляет тесто «подходить». Уксусное брожение используется в производстве уксуса. В природе широко распространено сбраживание белков, способствующее разложению органических остатков; маслянокислое брожение в промышленности используют для производства масляной кислоты. Молочнокислое брожение применяется, например, для производства молочнокислых продуктов и квашения овощей. Кроме того, молочную кислоту используют в кожевенном и красильном производстве.

Знаете ли вы, что:

1. Благодаря молочнокислому брожению у нас есть кефир.
2. Биологи считают брожение самым древним видом метаболизма (обмена веществ). Вероятно, первые организмы получали энергию с помощью именно этого процесса — ведь в то время в земной атмосфере не было кислорода.
3. Солёные огурцы — также продукт ферментационных процессов.
4. При работе мышц в них также проходит процесс ферментации — разложения глюкозы с выделением энергии, на промежуточном этапе которого образуется молочная кислота. В случае нехватки кислорода молочная кислота не разлагается, а накапливается в мышцах, раздражая нервные окончания и вызывая у человека чувство усталости.
5. Явление спиртового брожения используют в пищевой промышленности. Из забродившего винограда (или других ягод и фруктов) производят вина.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

В общем смысле, ферментация - это биохимическая переработка сырья под воздействием ферментов, содержащихся в нем самом и в сапротрофах (чайного листа, листьев табака), а также вызываемая микроорганизмами. Однако в нашем случае мы рассматриваем исключительно микробную ферментацию (или микробное брожение).

В этой самой старой из всех методик, применяемых в биотехнологии, для производства желаемых продуктов используются живые клетки или молекулярные компоненты их «производственного оборудования». В качестве живых клеток, как правило, используются одноклеточные микроорганизмы, такие как дрожжи или бактерии; из молекулярных компонентов чаще всего находят применение различные ферменты - белки, катализирующие биохимические реакции.

Ферментация - процесс, в котором происходит преобразование исходного сырья в продукт с использованием биохимической деятельности микроорганизмов или изолированных клеток.

Практически синонимами слова «ферментация» можно считать такие термины, как культивирование, выращивание микроорганизмов, биосинте з (см. )

Следует отличать микробную ферментацию от биокатализа (в котором уже полученный ранее фермент или биомасса микроорганизмов используются как катализаторы биохимического процесса синтеза продукта из исходного сырья и реагентов) и от биотрансформации (в этом процессе также применяется биокатализатор в виде фермента или биомассы микроорганизмов, но исходное вещество по химической структуре мало отличается от продукта биотрансформации).

Итак, разновидность ферментации - микробное брожение - неосознанно использовалось человеком в течение не одной тысячи лет для производства пива, вина, дрожжевого хлеба и консервированных продуктов - квашеных овощей, соленой (на самом деле - ферментированной) рыбы и т.п. Когда в середине 18 века была открыта роль микроорганизмов в брожении и люди осознали, что именно биохимическим процессам их жизнедеятельности мы обязаны существованием всех этих продуктов, применение методов ферментации значительно расширилось. В настоящее время мы используем довольно широкий спектр возможностей природных микроорганизмов, которые обеспечивают производство необходимых нам продуктов, таких как антибиотики, противозачаточные средства, аминокислоты, витамины, промышленные растворители, красители, пестициды и добавки, необходимые для приготовления пищи.

Микробная ферментация, в комбинации с методом рекомбинантных ДНК, используется для изготовления большого количества продуктов биологического происхождения: человеческого инсулина; вакцины против гепатита В; фермента, используемого для изготовления сыра; разлагаемой микроорганизмами пластмассы; ферментов, входящих в состав стиральных порошков и многого другого. Кроме того, ферментеры используются для выращивания культур самых разных животных и растительных клеток.

Ферментация - это совокупность процессов, результатом которых является культуральная жидкость.

Культуральная жидкость (culture broth) [лат. cultus — возделывание, обрабатывание] - сложная многокомпонентная система, в водной фазе которой содержатся клетки-продуценты, продукты их жизнедеятельности, непотребленные компоненты питательной среды и др. На стадии выделения целевого продукта следует учитывать место его локализации: внеклеточное или внутриклеточное. Иными словами, культуральная жидкость - жидкая среда, получаемая при культивировании различных про- и эукариотических клеток in vitro и содержащая остаточные питательные вещества и продукты метаболизма этих клеток.

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ НА ЖИДКОЙ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ

При описании процессов ферментации мы не редко упоминаем о "росте" и "размножении" микроорганизмов. Но многие часто путают значения этих слов или ошибочно считают их разными названиями одного и того же процесса. Это не так. Под ростом прокариотной клетки понимают согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена.

Рост бактерий является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регуляторным контролем, и приводит к увеличению массы (а, следовательно, и размеров) клетки. Но рост клетки не беспределен. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению, т.е. размножается.

Размножение бактерий определяется временем генерации. Это период, в течение которого осуществляется деление клетки. Продолжительность генерации зависит от вида бактерий, возраста, состава питательной среды, температуры и др.

Процесс культивации микроорганизмов - ферментация - начинается с того момента, когда заранее подготовленный посевной материал вводится в реактор. Размножение культуры микроорганизма характеризуется четырьмя временными фазами: лаг-фаза; экспоненциальная; стационарная; вымирание.

Рис.1. Фазы размножения бактериальной клетки на жидкой питательной среде

1)- Лаг-фаза (фаза покоя); продолжительность - 3-4 ч, происходит адаптация бактерий к питательной среде, начинается активный рост клеток, но активного размножения еще нет; в это время увеличивается количество белка, РНК. Во время лаг-фазы метаболизм клеток направлен на то, чтобы синтезировать ферменты для размножения в конкретной среде. Длительность лаг-фазы может быть разной для одной и той же культуры и среды, так как на неё влияет множество факторов. Например, сколько в посевном материале было нерастущих клеток.

2)- Экспоненциальная фаза - это период логарифмического размножения, когда происходит деление клеток с экспоненциальным ростом численности популяции; размножение преобладает над гибелью. Этот период ограничен во времени количеством питательной среды. Питательные вещества кончаются или рост клеток замедляется из-за выделения токсичного метаболита.

Рис. 2. Процесс деления бактериальной клетки

3)- Стационарная фаза. Рост прекращается и наступает так называемая стационарная фаза. Бактерии достигают максимальной концентрации, т.е. максимального количества жизнеспособных особей в популяции; количество погибших бактерий равно количеству образующихся; дальнейшего увеличения числа особей не происходит; Метаболизм продолжается и может начаться выделение вторичных метаболитов. Во многих случаях целью является получение не биомассы, а именно вторичных метаболитов, так как они могут использоваться для получения ценных продуктов и препаратов. В этих случаях ферментация целенаправленно удерживается в стационарной фазе.

4)- Фаза отмирания. Если продолжать ферментацию дальше, клетки постепенно будут терять активность, т.е. вымирать. Это фаза ускоренной гибели; процессы гибели преобладают над процессом размножения, так как истощаются питательные субстраты в среде. Накапливаются токсические продукты, продукты метаболизма. Этой фазы можно избежать, если использовать метод проточного культивирования: из питательной среды постоянно удаляются продукты метаболизма и восполняются питательные вещества.

О СТАДИИ ФЕРМЕНТАЦИИ

Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродуктов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая «незащищенная» ферментация).

Ферментация в жидкой и в твердофазной среде

Культивирование на жидких средах можно разделить на поверхностную и глубинную ферментацию. Поверхностная протекает в кюветах со средой. Кюветы располагают в вентилируемые воздухом камеры. В результате процесса на поверхности среды образуется биомасса в виде пленки или твердого слоя.

Глубинная ферментация происходит во всем объеме жидкой среды. Данный вид ферментации осуществляется как периодическим, так и непрерывным способами.

Твердофазная ферментация , в твердой, сыпучей либо пастообразной среде влажностью от 30 до 80 % осуществляется тремя способами (рис. 3):

• субстрат при поверхностных процессах располагают на подносах тонким слоем (3…7 мм);
• глубинную твердофазную ферментацию проводят в глубоких открытых сосудах, субстрат при этом не перемешивают;
• твердофазная ферментация производится перемешиванием в аэрируемой массе субстрата.

Ферментация (культивирование) может протекать как в аэробных, так и в анаэробных условиях:

Аэробное культивирование применяют в тех случаях, когда в процессе задействованы аэробные микроорганизмы-продуценты. Аэрацию смеси осуществляют подачей воздуха или других газов через газоподводящие трубки, форсунки и т. д.

Анаэробные процессы протекают в герметичных емкостях либо посредством продувания культивируемой среды инертными газами. Конструкция ферментера при анаэробной ферментации проще, чем при аэробной.

Для каждого вида процесса ферментации разработаны различные конструкции ферментеров (рис. 2).

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ

Рис. 3. Классификация процессов ферментации

По признаку целевого продукта процесса ферментация может быть следующих типов:

1. Ферментация, в которой целевым продуктом является сама биомасса микроорганизмов; именно такие процессы часто обозначают словами «культивирование», «выращивание»;
2. Целевым продуктом является не сама биомасса, а продукты метаболизма - внеклеточные или внутриклеточные; такие процессы часто называют процессами биосинтеза;
3. Задачей ферментации является утилизация определенных компонентов исходной среды; к таким процессам относятся биоокисление, метановое брожение, биокомпостирование и биодеградация.

Исходную среду в процессах ферментации или ее основной компонент часто обозначают словом субстрат .

По основной фазе , в которой протекает процесс ферментации, различаются:

1. Поверхностная (преимущ. твердофазная ) ферментация (культивирование на агаровых средах, на зерне, производство сыра и колбас, биокомпостирование и др.);
2. Глубинная (преимущ. жидкофазная ) ферментация, где биомасса микроорганизмов суспендирована в жидкой питательной среде, через которую при необходимости продувается воздух или другие газы;

По отношению к кислороду - различают аэробную, анаэробную и факультативно-анаэробную ферментацию по аналогии склассификацией самих микроорганизмов.

По отношению к свету - световая (фототрофная) и темновая (хемотрофная) ферментация.

По степени защищенности от посторонней микрофлоры - асептическая, условно асептическая и неасептическая ферментация. Иногда асептическую ферментацию называют стерильной, что неверно: в среде есть целевые микроорганизмы, но нет чужеродных.

Вусловно асептической ферментации допускается некоторый уровень попадания посторонней микрофлоры, которая способна сосуществовать с основной или по содержанию не превышает определенного предела.

По числу видов микроорганизмов - различают ферментации на основе монокультуры (или чистой культуры) и смешанное культивирование, в котором осуществляется совместное развитие ассоциации двух или более культур.

ПРОЦЕССЫ ФЕРМЕНТАЦИИ ПО СПОСОБУ ОРГАНИЗАЦИИ :

• периодические;
• непрерывные;
• объемно-доливные;
• периодические с подпиткой субстрата;

Все эти виды ферментации (по способу их организации) легко идентифицировать но способу загрузки сырья и выгрузки продукта.

В периодических процессах загрузка сырья и посевного материала в аппарат производится единовременно, затем в аппарате в течение определенного времени идет процесс, а после его завершения полученная ферментационная жидкость выгружается из аппарата.

В непрерывных процессах загрузка и выгрузка среды протекают непрерывно и одновременно, причем скорость подачи в аппарат свежей питательной среды равна скорости отбора из аппарата ферментационной жидкости. В итоге объем среды в аппарате сохраняется постоянным в течение длительного времени (рис. 4.2), теоретически - бесконечно, а практически - до какой-нибудь неполадки.

В объемно-доливных процессах ферментация в промежутках между загрузкой и разгрузкой аппарата протекает как периодическая, но после некоторого времени, определяемого по состоянию процесса, часть ферментативной среды выгружают и заменяю свежей средой.

В периодическом процессе с подпиткой субстрата часть среды загружается в начале ферментации, а другая часть добавляется Непрерывно по мере протекания процесса (рис. 4.5). Естественным завершением процесса является переполнение аппарата, поэтому необходимо переходить на строго периодический процесс с максимальным объемом среды и быстро завершать его.

БИОРЕАКТОРЫ (ФЕРМЕНТЕРЫ)

Рис. 4. Классификация ферментеров

Для глубинного культивирования бактерий в промышленных и лабораторных условиях применяют биореакторы или ферментеры. Ферментер (биореактор) - это прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза, представляет собой герметический котел, в который заливается жидкая питательная среда. Ферментеры снабжены автоматическими приспособлениями, позволяющими поддерживать постоянную температуру, оптимальную рН и редокс-потенциал, дозированное поступление необходимых питательных веществ.

Применяется в биотехнологической промышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, продуктов пищевой промышленности (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы), а также при биоконверсии крахмала и производстве полисахаридов и нефтедеструкторов.

Различают механические, аэрлифтные и газо-вихревые биореакторы, а также аэробные (с подачей воздуха или газовых смесей с кислородом), анаэробные (без подачи кислорода) и комбинированные — аэробно-анаэробные.

ОБЩАЯ СХЕМА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Рис. 5. Схема обычного ферментера

Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндр, в котором механически перемешиваются среда вместе с микроорганизмами. Через него прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста: постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.

1. Подготовка питательной среды

Питательная среда служит источником органического углерода - основного строительного элемента жизни. Микроорганизмы поглощают широкий спектр органических соединений - от метана (СH 4), метанола (СH 3 OH) и углекислоты (СO 2) до природных биополимеров. Кроме углерода клетки нуждаются в азоте, фосфоре и других элементах (K, Mg, Zn, Fe, Cu, Mo, Mn и др.) Важный элемент подготовки питательных сред - стерилизация с целью уничтожения всех посторонних микроорганизмов. Ее проводят термическим, радиационным, фильтрационным или химическим методами.

2. Получение чистых штаммов для внесения в ферментер.

Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистую культуру микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность (обычно это достигается хранением при низкой температуре). Необходимо все время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами.

3. Ферментация - основной этап биотехнологического процесса.

Ферментация - это вся совокупность операций от внесения микробов в подготовленную и нагретую до необходимой температуры среду до завершения биосинтеза целевого продукта или роста клеток . Весь процесс протекает в специальной установке - ферментере.

По окончании ферментации образуется смесь рабочих микроорганизмов, раствора непотребленных питательных компонентов и продуктов биосинтеза. Ее называют культуральной жидкостью или бульоном .

4. Выделение и очистка конечного продукта.

По завершении ферментации продукт, который желали получить, очищают от других составляющих бульона. Для этого используют различные технологические приемы: фильтрацию, сепарирование (осаждение частиц взвеси под действием центробежной силы), химическое осаждение и др.

5. Получение товарных форм продукта.

Последней стадией биотехнологического цикла является получение товарных форм продукта. Они представляют собой либо смесь, либо очищенный продукт (особенно если он предназначен для использования в медицинских целях).

На заметку:

ФАКТЫ О РАЗМНОЖЕНИИ БАКТЕРИЙ

При благоприятных условиях размножение микроорганизмов идет очень быстро. Считают, что бактерия делится пополам через каждые 20-30 мин. По подсчету ботаника Кона, при беспрепятственном размножении в течение 5 суток потомство одной бактерии средней величины (2 мк длины и 1 мк ширины) заняло бы объем, равный объему всех морей и океанов. Но размножение бактерий ограничено рядом факторов и таких фантастических размеров не достигает.

Чрезвычайно малые размеры бактерий и быстрота их размножения имеют огромное значение для понимания условий взаимодействия между микробами и окружающей средой. Объем воды в 0,001 мл способен вместить до 10 9 бактерий. При внесении такого количества бактерий в 1 мл воды в случае равномерного распределения их по всему объему на 1 л воды придется 10 6 бактерий или 1000 бактерий на 1 мл воды. Вот почему, например, ничтожное (!) количество зараженного болезнетворными бактериями вещества достаточно для распространения инфекционных заболеваний, передаваемых через воду.

Автор книги - «рок-звезда Американской кулинарной сцены» - по мнению New York Times, самоучка, антиглобалист, дауншифтер и открытый гей - Сандор Эликс Катц. Эта книга, как вы уже наверняка догадались, выпадает из ряда нарядных кулинарных «книг для кофейного столика» (так в англосаксонском мире принято называть увесистые и красочные тома, предназначение которых - лежать на столике в гостиной и больше являться элементом декора, чем источником знаний).

Фотографии в этой книге достойны отдельного упоминания: глядя на них складывается впечатление, что они получились совершенно случайно. Но книга эта действительно полна уникальной информации: как ферментируют кассаву, пекут национальные эфиопские лепешки из муки тэфф, делают в России квас (да, даже это!) и еще множество всего. Теоретическая часть содержит данные из области антропологии, истории, медицины, нутрициологии и микробиологии. В книгу входит большое количество рецептов: они разделены на несколько тематических частей (приготовление ферментированных овощей, хлеба, вина, молочных продуктов).

Приводим здесь очень вольный перевод главы, посвященной полезным свойствам ферментации.

Многочисленные полезные свойства ферментированных продуктов

Ферментированные продукты обладают в прямом смысле живым ароматом и содержат живые питательные вещества. Вкус у них, как правило, ярко выраженный. Вспомните пахучие зрелые сыры, кислую квашеную капусту, густую терпкую пасту мисо, насыщенные благородные вина. Конечно, можно сказать, что вкус некоторых ферментированных продуктов - на любителя. Однако люди всегда по достоинству ценили уникальные вкусовые оттенки и пробуждающие аппетит ароматы, которые продукты приобретают благодаря работе бактерий и грибов.

С практической точки зрения основным преимуществом ферментированных продуктов является то, что они дольше хранятся. Микроорганизмы, участвующие в процессе ферментации, вырабатывают алкоголь, молочную и уксусную кислоты. Все эти «биоконсерванты» позволяют сохранить питательные вещества и подавить рост патогенных бактерий и таким образом предотвратить порчу продуктовых запасов.

Овощи, фрукты, молоко, рыба и мясо портятся быстро. И, когда удавалось получить их излишки, наши предки использовали все доступные средства, позволяющие как можно дольше сохранить запасы пищи. На протяжении всей истории человечества ферментацию для этого использовали повсеместно: от тропиков до Арктики.

Капитан Джеймс Кук был знаменитым английским исследователем XVIII-го века. Благодаря его активной деятельности границы Британской Империи значительно расширились. Кроме того Кук получил признание Лондонского королевского общества - ведущего научного общества Великобритании - за то, что вылечил членов своей команды от цинги (болезни, вызываемой острым недостатком витамина С). Победить болезнь Кук смог благодаря тому, что во время своих экспедиций брал на борт большой запас кислой капусты (которая содержит существенное количество витамина С).

Благодаря своему открытию Кук смог открыть много новых земель, которые затем оказались под властью Британской короны и укрепили ее могущество, в том числе и Гавайские острова, где он и был впоследствии убит.

Коренные жители островов, полинезийцы, пересекли Тихий океан и поселились на Гавайских островах более чем за 1000 лет до визита капитана Кука. Интересным является и тот факт, что пережить длительные путешествия, также, как и команде Кука, им помогли ферментированные продукты! В данном случае - «пои», каша из плотного крахмалистого корня таро , которая до сих пор популярна на Гавайях и в южной части тихоокеанского региона.

Ферментация позволяет не только сохранить полезные свойства питательных веществ, но и помочь организму их усвоить . Многие питательные веществе представляют собой сложные химические соединения, но в процессе ферментации сложные молекулы расщепляются на более простые элементы.

В качестве примера такой трансформации свойств при ферментации обладают соевые бобы. Это уникальный, богатый белком продукт. Однако без ферментации соя практически не переваривается человеческим организмом (некоторые даже утверждают, что она токсична). В процессе ферментации сложные молекулы белка соевых бобов расщепляется, и в результате образуются аминокислоты, которые организм уже способен усвоить. Одновременно c этим расщепляются и нейтрализуются растительные токсины, которые содержатся в соевых бобах. В результате мы получаем традиционные ферментированные соевые продукты, такие как соевый соус, паста мисо и темпе .

В наши дни многие люди с трудом усваивают молоко. Причиной является непереносимость лактозы - молочного сахара. Молочнокислые бактерии кисломолочных продуктов преобразуют лактозу в молочную кислоту, которая усваивается уже гораздо легче.

То же происходит и с глютеном, белком злаковых растений. В процессе бактериальной ферментации при помощи заквасок (в отличие от дрожжевого брожения, которое сейчас чаще всего используется в хлебопечении) молекулы глютена расщепляются, а ферментированный глютен усваивается легче, чем не прошедший ферментацию.

По мнению экспертов Продовольственной и Сельскохозяйственной Организации ООН (United Nations Food and Agriculture Organization) ферментированные продукты являются источником жизненно важных питательных элементов. Организация ведет активную работу по повышению популярности ферментированных продуктов во всем мире. По данным Организации ферментация повышает биодоступность (т. е. способность организма усваивать то или иное вещество) минералов , присутствующих в продуктах.

Билл Моллисон (Bill Mollison), автор книги «Ферменты и питание человека» (The Permaculture Book of Ferment and Human Nutrition), называет ферментацию «формой предварительного пищеварения». «Предварительное пищеварение» также позволяет расщепить и нейтрализовать определенные токсичные вещества, содержащиеся в продуктах. В качестве примера мы уже приводили соевые бобы.

Еще одной иллюстрацией процесса нейтрализации токсинов является ферментация кассавы (также известной под названиями юкка или маниока). Это корнеплод родом из Южной Америки, который позднее стал одним из основных продуктов питания в экваториальной Африке и Азии.

Кассава может содержать высокую концентрацию цианида. Уровень содержания этого вещества сильно зависит от вида почвы, на который растет корнеплод. Если не нейтрализовать цианид, то кассаву нельзя употреблять в пищу: она попросту ядовита. Для удаления токсина часто используют обычное замачивание: для этого очищенные и крупно порезанные клубни помещают в воду примерно на 5 дней. Это позволяет расщепить цианид и сделать кассаву не только безопасной для употребления, но и сохранить полезные вещества, которые в ней содержатся.

Паста соевая мисо ферментированная разных видов с добавками:

Но не все содержащиеся в продуктах токсины так опасны, как цианид. Например, злаковые, бобовые культуры (а также орехи - прим. ред.) содержат соединение, которое называется фитиновая кислота . Эта кислота обладает способностью связывать цинк, кальций, железо, магний и другие минералы . В результате эти минералы не будут усвоены организмом. Ферментация злаков с помощью предварительного замачивания позволяет расщепить фитиновую кислоту и благодаря этому повышается питательная ценность злаковых, бобовых и орехов.

Существует и другие потенциально токсичные вещества, действие которых можно ослабить или нейтрализовать с помощью ферментации. Среди них - нитриты, синильная кислота, щавелевая кислота, нитрозамины, лектины и глюкозиды.

Ферментация не только позволяет расщепить «растительные» токсины, результатом этого процесса являются и новые питательные вещества.
Так, в процессе своего жизненного цикла, бактерии заквасок вырабатывают витамины группы В, включая фолиевую кислоту (В9), рибофлавин (В2), ниацин (В3), тиамин (В1) и биотин (В7,Н) . Также ферментам часто приписывают выработку витамина В12, который отсутствует в продуктах растительного происхождения. Однако не все согласны с этой точкой зрения. Существует версия, что вещество, которое содержится в ферментированной сое и овощах на самом деле только похоже по некоторым признакам на витамин В12, однако оно не обладает его активными свойствами. Это вещество называют «псевдовитамин» В12.

Некоторые ферменты, возникщие в процессе ферментации, действуют как антиоксиданты , то есть удаляют из клеток организма человека свободные радикалы , которые считаются предшественниками раковых клеток.

Молочнокислые бактерии (которые в частности содержаться в хлебной закваске, а также в йогуртах, кефире и других кисломолочных продуктах - прим. ред.) помогают вырабатывать жирные кислоты Oмега-3, которые жизненно важны для нормальной работы клеточной мембраны клеток человеческого организма и иммунной системы.

В процессе ферментации овощей вырабатываются изотиоцианаты и индол-3-карбинол. Считается, что оба этих вещества обладают противоонкологическими свойствами.

Продавцы «натуральных пищевых добавок» часто "гордтся" тем, что «в процессе их культивации вырабатывается большое количество полезных натуральных веществ». Таких как, например, супероксид-дисмутаза, или GTF-хром (разновидность хрома, которая легче усваивается организмом человека и способствует поддержанию нормальной концентрации глюкозы в крови), или детоксицирующие соединения: глутатион, фосфолипиды, пищеварительные энзимы и бета 1,3 глюканы. Честно говоря, я просто (слова автора книги) теряю интерес к разговору, когда слышу подобные псевдонаучные факты. Понять, насколько полезен продукт, вполне можно и без молекулярного анализа.

Доверяйте своим инстинктам и вкусовым рецепторам. Прислушайтесь к своему организму: как вы чувствуете себя после употребления того или иного продукта. Поинтересуйтесь, что говорит наука по этому поводу. Результаты исследований подтверждают: ферментация повышает питательную ценность продуктов.

Пожалуй, наибольшая польза ферментированных продуктов заключается именно в самих бактериях, осуществлющих процесс ферментации. Их также называют пробиотиками . Многие ферментированные продукты содержат компактные колонии микроорганизмов: такие колонии включают в себя множество видов самых различных бактерий. Только сейчас ученые начинают понимать, каким образом колонии бактерий влияют на работу нашей кишечной микрофлоры. Взаимодействие микроорганизмов, содержащихся в ферментированных продуктах, с бактериями нашей пищеварительной системы может улучшить работу пищеварительной и иммунной систем , психологические аспекты здоровья и общее самочувствие.

Однако не все ферментированные продукты остаются «живыми» к тому моменту, когда попадают к нам на стол. Некоторые из них, в силу своей природы, не могут содержать живые бактерии. Хлеб, например, нужно выпекать при высокой температуре и он не может служить истчником прибиотиков (аспекты пользы хлеба другие, в этой статье мы их не рассматриваем). И это приводит к гибели всех содержащихся в нем живых организмов.

Ферментированные продукты не требуют подобного способа приготовления, их рекомендуется употреблять, когда они еще содержат живые бактерии, то есть без термообработки (в нашей российской действительности - квашеные капуста, огурцы: моченая брусника, яблоки, сливы; разные виды живого кваса; напиток чайного гриба; непастеризованные живые виноградные вина; молочные непастеризованные кисломолочные продукты короткого срока хранения такие, как: кефир, ряженка, ацидофилин, тан, мацони, кумыс; фермерские сыры и др., прим. ред.). И именно в таком виде ферментированные продукты наиболее полезны.

Квашеная капуста, моченые яблоки:

Внимательно читайте этикетки продуктов. Помните, многие ферментированные продукты, которые продаются в магазинах, подвергаются процессу пастеризации или другой термической обработке. Это позволяет продлить срок годности, но убивает микроорганизмы. На этикетке ферментированных продуктов часто можно увидеть фразу «содержит живые культуры». Эта надпись свидетельствует о том, что в конечном продукте все еще присутствуют живые бактерии.

К сожалению, мы живем в то время, когда в магазинах, в большинстве своем, продаются полуфабрикаты, рассчитанные на массового потребителя, и живые бактерии в таких продуктах трудно найти. Если вы хотите видеть на своем столе действительно «живые» ферментированные продукты, вам придется хорошенько их поискать или приготовить самостоятельно.

«Живые» фементированные продукты полезны для здоровья пищеварительной системы. Поэтому они эффективны для лечения диареи и дизентерии. Продукты, содержащие живые бактерии, помогают бороться с детской смертностью в младенческом возрасте.

В Танзании было проведено исследование, в ходе которого изучался уровень младенческой смертности. Ученые наблюдали за младенцами, которых кормили разными смесями после отъема от груди. Одних детей кормили кашей из ферментированных злаков, других - из обычных.

У младенцев, которых кормили ферментированной кашей, было отмечено в два раза меньше случаев диареи по сравнению с теми, кто ел кашу не прошедшую ферментацию. Причина в том, что молочнокислое брожение подавляет рост бактерии, вызывающей диарею.

Согласно результатам другого исследования, опубликованного в журнале «Нутришн» (Nutrition), богатая микрофлора кишечника позволяет предотвратить развитие болезней пищеварительного тракта. Молочнокислые бактерии «борются с потенциальными патогенами за присоединение к рецепторам клеток слизистой оболочки кишечника». Таким образом, лечить болезни можно с помощью «экоиммунопитания».

Само слово, конечно, не так просто произнести. Но мне, все равно, нравится термин «экоиммунопитание». Он подразумевает, что иммунная система и бактериальная микрофлора организма функционируют как единое целое.

Бактериальная экосистема состоит из колоний различных микроорганизмов. И такую систему можно создать и поддерживать с помощью определенного рациона питания. Употребление продуктов с высоким содержанием живых бактерий - один из способов построения бактериальной экосистемы в организме.

Чайный гриб:

Упомянутая книга была удостоена нескольких наград. Кроме нее в библиографии Катца:

The Big Book of Kombucha («Большая Книга Комбучи»)

The Wild Wisdom of Weeds («Мудрость диких трав»)

Art Natural Cheese Making («Искусство натурального сыроделия»)

Revolution Will Not Be Microvaved: inside America"s underground Food movements («Революцию не приготовят в микроволновке: внутренний взгляд на подпольные гастро-течения современной Америки»).

Cсылка на книгу в Амазоне: https://www.amazon.com/gp/product/B01KYI04CG/ref=kinw_myk_ro_title

________________________________________ _________

Ферментированный продукт питания темпе — полезные свойства и применение

Темпе (англ. Tempeh) - ферментированный продукт питания, приготовляемый из соевых бобов.

Приготовление

Темпе популярен в Индонезии и других странах юго-восточной Азии. Процесс приготовления темпе схож с процессом ферментации сыров. Темпе производится из целых соевых бобов. Соевые бобы размягчаются, затем раскрываются или очищаются от шелухи и варятся, но не до готовности. Затем добавляется окислитель (обычно уксус) и закваска, содержащая полезные бактерии. Под действием этих бактерий получается ферментированный продукт, обладающий сложным запахом, который сравнивают с ореховым, мясным или грибным, а по вкусу напоминающий цыпленка.

При низкой температуре или повышенной вентиляции на поверхности темпе иногда появляются споры в виде безвредных серых или черных пятен. Это нормальное явление, не влияющее на вкус и запах продукта. Готовый качественный темпе имеет легкий запах аммиака, однако этот запах не должен быть очень сильным.

Обычно темпе выпускается в брикетах толщиной около 1,5 см. Темпе относится к категории скоропортящихся продуктов и не подлежит длительному хранению, поэтому его сложно встретить за пределами Азии.

Полезные свойства и применение

В Индонезии и Шри-Ланке темпе употребляют в качестве основного продукта питания. Темпе богат белком. Благодаря ферментации в процессе изготовления белок из темпе легче переваривается и усваивается организмом. Темпе - хороший источник пищевой клетчатки, так как содержит большое количество пищевых волокон, в отличие от тофу, в котором волокна отсутствуют.

Чаще всего разрезанный на кусочки темпе обжаривают на растительном масле с добавлением других продуктов, соусов и специй. Иногда темпе предварительно замачивается в маринаде или соленом соусе. Он легко готовится: на приготовление уходит всего несколько минут. Мясоподобная структура позволяет использовать темпе вместо мяса в гамбургерах или вместо цыпленка в салате.

Готовый темпе подается с гарниром, в супах, в тушеных или жареных блюдах, а также как самостоятельное блюдо. Из-за низкой калорийности темпе используют как диетическое и вегетарианское блюдо.

Состав

Темпе содержит ряд полезных микроорганизмов, типичных для ферментированных продуктов, которые подавляют болезнетворные бактерии. Более того, в нем содержатся фитаты, которые вступают в связь с радиоактивными элементами и выводят их из организма. Темпе, как и все соевые продукты очень богат белком и пищевой клетчаткой. В грибковой культуре, используемой в процессе производства темпе, содержатся бактерии, производящие витамин B12, который подавляет поглощение радиоактивного кобальта.

Любопытный факт

Темпе, как и другие изделия из сои, плохо сочетаются со всеми белковыми продуктами животного происхождения и животными жирами, но хорошо сочетаются с рыбой и морепродуктами. Не стоит есть соевые продукты и вместе с другими бобовыми.

Калорийность темпе

Калорийность темпе - от 90 до 150 ккал в 100 г продукта в зависимости от способа приготовления.