Окисление углеводов. 
Основы микробиологии

Окисление этилового спирта до уксусной кислоты. Издавна известно, что в открытом сосуде с вином или пивом через некоторое время на поверхности появляется пленка, а напитки мутнеют и прокисают. Окисление бактериями этилового спирта в уксусную кислоту долгое время называли уксуснокислым брожением, хотя эго неверно, гак как процесс протекает только в присутствии кислорода воздуха.

Возбудителями этого окисления являются уксуснокислые бактерии родов Gluconobacter и Acetobacter (рис. 5.14), которые разделены по способности окислять уксусную кислоту дальше, до углекислого газа и воды. Бактерии из рода ацетобактер из-за этого называют переокислителями, а бактерии из рода глюконобактер вызывают образование уксусной кислоты как конечного продукта. Бактерии Gluconobacter способны окислять и другие спирты и углеводы, например глюкозу до глюконовой кислоты.

Рис. 5.14. Acetobacter:

а — A. aceti', б — А. хуНпитп; в — A. Kutzingianum; г — A. pasterianum

Уксуснокислые бактерии — грамотрицательные, палочковидные (0,6— 4,0 мкм), бесспоровые; строгие аэробы, капсул не образуют; часто развиваются на поверхности субстрата, соединяясь в длинные нити. Слизеобразующие виды образуют пленки (от тонких до толстых, многослойных или слизистых) на поверхности субстрата. Есть подвижные (перигрихи) и неподвижные бактерии, все преимущественно кислотоустойчивые: pH 4—6. Оптимальная температура роста — около 30 °C. Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, встречаются на поверхности растений, плодах, ягодах, растительных остатках, в квашеных овощах, вине, пиве, квасе (рис. 5.15). Уксуснокислые бактерии выдерживают 10—12% спирта в субстрате и образуют до 9—12% уксусной кислоты.

Рис. 5.15. Acetobacter aceti (x900).

Окисление этилового спирта в уксусную кислоту протекает в два этапа: сначала образуется уксусный альдегид, и затем он окисляется в уксусную кислоту. На процессе окисления уксуснокислыми бактериями спирта основано промышленное получение уксуса для пищевых целей. Распространенными способами получения уксуса являются французский и немецкий.

Французский (орлеанский) метод позволяет получать уксус высокого качества. В качестве сырья используют виноградные вина. В чаны для брожения помещают водную смесь вина и уксуса (4% алкоголя и 2% уксусной кислоты) и выдерживают до нескольких недель, что считается достаточным для формирования особой ароматической композиции, называемой букетом. При достижении содержания уксусной кислоты 5—6% процесс считают оконченным. Важно закончить его до полного использования уксуснокислыми бактериями спирта, так как после его исчезновения в субстрате бактерии примутся за уксусную кислоту и будут ее окислять до С0₂ и Н₂0, снижая качество товара. Это длительный дорогой метод.

Немецкий метод — быстрый способ получения уксуса, он предусматривает значительное сокращение времени процесса за счет увеличения поверхности окисления спирта. Это увеличение достигается за счет использования буковых стружек, которые скручивают и рыхлым слоем помещают в чан брожения. Подкисленный раствор спирта заливается в чан сверху, распределяется по поверхности стружек и стекает вниз уже в виде уксусной кислоты, которая там собирается. Столовый уксус, полученный по этому методу, содержит около 4,5% уксусной кислоты. Такие чаны могут использоваться много лет, однако необходимо следить за появлением угриц (мелкие черви, питающиеся уксуснокислыми бактериями). В этом случае уксус становится мутным с неприятным привкусом. Этим способом в основном получают уксус на современых заводах, в специальных ферментерах, в которые подают стерильный воздух и им перемешивают среду (рис. 5.16). Глубинный метод позволяет исключить вторичную контаминацию.

Уксуснокислые бактерии способны окислять разные спирты, например пропиловый — в пропионовую кислоту, бутиловый — в масляную. Некоторые окисляют глюкозу в глюконовую кислоту (глюконовокислое брожение). Глюконовую кислоту могут образовывать и грибы, многие аспергиллы и иенициллы.

Важно отметить, что произвольное развитие уксуснокислых бактерий в спиртосодержащих субстратах (вине, пиве, квасе и других продуктах) приводит к их порче: прокисанию, помутнению, ослизнению.

Рис. 5.16. Ферментер для производства уксуса.

Окисление углеводов до органических кислот. Эти процессы ранее называли брожениями, но протекают они только в аэробных условиях, поэтому это название носит условный характер. Многие плесени способны к такому типу «брожения», в процессе которого они окисляют углеводы, но не до углекислого газа и воды, а до различных органических кислот (щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная и др.). Возбудителями являются грибы родов Aspergillus, Penicillium, Rhizopus Mycor.

Плесневый гриб Aspergillus niger (рис. 5.17) в процессе дыхания окисляет сахар до лимонной кислоты, причем выход может составлять до 60% от использованного сахара. Этот процесс был изучен в начале прошлого века С. Г1. Костычевым и В. С. Буткевичем. Основным сырьем для производства лимонной кислоты служит меласса (черная патока), обогащенная питательными веществами. Мицелий гриба (в виде спор) вносят в мелассную жидкость, которую помещают в специальную емкость (танк), герметично закрывают и далее непрерывно перемешивают стерильным воздухом. Этот процесс протекает 5—7 сут., оптимальной температурой является 30 °C. Лимонная кислота используется в пищевой, химической, фармацевтической промышленности и медицине.

Рис. 5.17. Aspergillus niger (электронная микрофотография) Другой аспергилл — A. itaconicus — используют для получения итаконовой кислоты, которая применяется при изготовлении синтетических волокон, смол, инсектицидов, красителей и др.