Факторы, регулирующие обмен веществ микроорганизмов

Чтобы культура микроорганизмов могла нормально расти, размножаться и осуществлять биосинтез какого-либо вещества, необходимы оптимальные условия окружающей среды: химические факторы – состав и концентрация питательных веществ, присутствие активаторов и ингибиторов; физические факторы – температура, давление, рН, плотность, подвижность среды, освещенность, радиация и т. д. Чем благоприятнее эти условия для данного микроорганизма, тем интенсивнее он развивается и тем выше темп его деятельности – эффективнее размножается.

Один из важных факторов – питательная среда. Микроорганизмам требуется целый ряд необходимых элементов питания (углерод, азот, фосфор, макро- и микроэлементы, биологически активные вещества и др.).

Источниками углерода для микроорганизмов могут быть углеводы (моно- и полисахариды), спирты, кислоты и др. Источниками азота в питательной среде могут быть белки, пептиды, аминокислоты, нитраты, а также атмосферный азот. В качестве источника фосфора обычно используют фосфаты. Кроме того, к питательной среде добавляют соли К, Мg, Fe, микроэлементы (Со, Сu, Мn и т. д.) и различные органические вещества (витамины и другие биологически активные вещества).

Потребность микроорганизмов в соответствующих веществах выясняют, культивируя их на синтетических средах, состоящих из определенных химически чистых соединений. Изменяя количество одного из компонентов среды, и сохраняя остальные на оптимальном уровне, можно установить, какие вещества и в каких концентрациях необходимы для соответствующего микроорганизма.

Если на клетки микроорганизмов действуют слишком высокие концентрации веществ в питательной среде, то может произойти плазмолиз клетки – часть воды выделится из клеток и протоплазма отойдет от клеточной стенки, жизнедеятельность клетки замедлится или полностью прекратится. Чувствительность микроорганизмов к повышению осмотического давления различна и оказывает существенное влияние на их жизнедеятельность.

Так, в производстве хлеба можно затормозить брожение теста при внесении в него соли или повышенного количества сахара и жира. Для уменьшения тормозящего действия соль вносят в несколько приемов, а сахар и жир – в основном на последних стадиях брожения.

Для микробиологических процессов большое значение имеет реакция среды (рН). Для каждой культуры микроорганизмов есть свои пределы оптимума, максимума и минимума рН. Но большинство микроорганизмов лучше развиваются в нейтральной среде.

Большое значение в жизнедеятельности микроорганизмов имеет кислород. Для аэробных микроорганизмов он жизненно необходим, для анаэробных – является ядом. Только для факультативно анаэробных микроорганизмов, например дрожжей, это не имеет существенного значения.

Потребление кислорода зависит от концентрации микробных клеток. Чем она выше, тем больше требуется кислорода. Режим аэрации должен обеспечить такую скорость растворения кислорода, которая полностью соответствовала бы расходу.

Для микроорганизмов существенное значение имеет также окислительно-восстановитиельный потенциал, выражаемый в милливольтах или чаще отрицательным логарифмом давления молекулярного водорода rH₂. Степень аэробности или анаэробности может быть количественно охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала. Это индекс rH₂, аналогичный рН, но рН выражает степень кислотности или щелочности, а rH₂ – степень аэробности. В водном растворе, насыщенном кислородом, rH₂=41, а в условиях насыщения водородом rH₂=0. Шкала от 0 до 41 характеризует степень аэробности. Облигатные анаэробы жизнедеятельны при rH₂ не выше 18–20, при этих значениях они только осуществляют обмен веществ, но не размножаются. Размножаться они могут при крайне низких значениях rH₂ – не выше 3–5. Факультативно аэробные и анаэробные микроорганизмы живут в широком диапазоне rH₂ – от 0 до 30. Низкие значения rH₂ не оказывают вреда, а высокие – неблагоприятны. Микроорганизмы всегда снижают высокие значения rH₂ в среде, выделяя в нее восстановители. Облигатные аэробы не способны жить без кислорода и при низких значениях rH₂ не могут существовать, так как в среде нет свободного кислорода. Нижний предел rH₂ для них равен 10, верхний – 30, так как при rH₂=30 происходит чрезмерное окисление и повреждение клеток.

Очень велико значение температуры для роста и развития микроорганизмов. Большинство применяемых в промышленности микроорганизмов по отношению к температуре являются мезофилами: их развитие происходит при 25–37 °С, психрофильные микроорганизмы растут в интервале 0–15 °С, а термофильные – в интервале 45–55 °С. Обычно при повышении температуры процессы биосинтеза интенсифицируются, если это повышение не ингибирует определяющие биосинтез ферменты. При температуре 70 °С большинство вегетативных микроорганизмов гибнет за 1–5 мин.

Нормальное функционирование клетки, т. е. обмен веществ, рост и размножение, может происходить только тогда, когда в ней содержится достаточное количество воды и клетки погружены в водную среду с растворенными в ней питательными веществами. При уменьшении содержания воды снижается интенсивность биохимических реакций, а следовательно, и интенсивность жизненных процессов. Вода не только является реакционнной средой и растворителем веществ, при взаимодействии с водой осуществляется множество реакций при участии гидролитических ферментов, в результате которых образуются новые вещества с совершенно новыми свойствами.

Итак, при благоприятных условиях, т. е. в среде , где есть водный раствор питательных веществ, а также соблюдены все соответствующие физические и химические факторы (температура, рН, присутствие кислорода и т. д .), в клетках микроорганизмов начинаются ферментативные процессы, т. е. обмен веществ с окружающей средой. Из веществ, проникших в клетку, образуются внутреклеточные вещества и структурные элементы, происходит ассимиляция. Одновременно идут процессы распада веществ – диссимиляция. Если первые процессы преобладают над вторыми, наблюдается рост клетки. Достигнув определенных размеров в соответствующей фазе развития, клетка может начать размножаться. Скорость размножения зависит как от видовых свойств культуры, так и от условий окружающей среды.

В результате роста и размножения клеток в питательной среде увеличивается биомасса. Количество биомассы выражают по сухой массе клеток в единице объема (мг/л, г/л, кг/м³) или, если клетки имеют примерно одинаковые размеры, по числу клеток в единице объема (млн/мл, млрд/мл).

В развитии микроорганизмов наблюдается нескольно фаз. Внесенные в питательную среду клетки микроорганизмов не сразу начинают размножаться, до этого следует некоторый период, называемый лагфазой. В этот период, длящийся иногда несколько часов, клетки приспосабливаются к среде и окружающим условиям. В период лагфазы стремительно возрастает количество нуклеиновых кислот, особенно РНК, что необходимо для синтеза белков.

После лагфазы следует логарифмическая фаза, в которой клетки размножаются с максимальной для данной культуры скоростью. Вследствие этого запас необходимых питательных веществ в среде уменьшается. Кроме того, в этот период происходит накопление различных продуктов обмена веществ, которые в определенной концентрации могут мешать нормальному протеканию обмена веществ. Скорость роста уменьшается также за счет сокращения площади поверхности клеток из-за тесного окружения одних клеток другими, а именно через их поверхность происходят процессы обмена веществ – попадание питательных веществ в клетку и выделение метаболитов.

При интенсивном росте и размножении внутри лимитирующей системы негативное влияние лимитирующих факторов увеличивается и в результате скорость роста микроорганизмов уменьшается, наступает фаза замедленного роста.

Через определенное время в стационарной фазе масса клеток в питательной среде достигает максимального уровня. Затем наступает период, когда число отмерших клеток превышает прирост. В результате количество биомассы уменьшается – наступает фаза отмирания.

Абсолютный прирост биомассы в единицу времени, обычно за 1 ч, характеризует общая скорость роста V.

Чтобы определить, с какой скоростью идет прирост биомассы от исходного количества m₀ до m₁ за время t₁ – t₀, используют среднюю скорость роста V_ср, которую определяют по формуле:

V_ср = (m₁ – m₀) / (t₁ – t₀).

Изменение (увеличение) количества биомассы микроорганизмов важно контролировать как при получении биомассы (дрожжевое производство), так и при накоплении ее в культуральной среде какого-либо вещества (производство спирта, лимонной кислоты и др.).

В первом случае процесс прекращают, когда достигнуто максимальное количество биомассы и углерод и азот среды использованы максимально. Если источник углерода для образования биомассы и какого-либо продукта общий, например спиртовое брожение на сахарозе или мальтозе, тогда на определенном этапе увеличение биомассы ограничивают (при спиртовом брожении – путем создания факультативно анаэробных условий).

Далее в разделе «Технология хлебопекарных дрожжей» более подробно будут рассмотрены стадии развития дрожжей, а также влияние на жизнедеятельность дрожжей условий культивирования и состава среды.

Контрольные вопросы:

6. Какие вещества относят к ферментам?

7. Как можно классифицировать ферменты по типу катализируемой реакции?

8. Каковы основные характерные особенности ферментов?

9. Какие факторы влияют на скорость биохимических процессов?

10. Приведите примеры, характеризующие роль ферментов при производстве и хранении пищевых продуктов.

11. В чем сущность различных типов энергетического обмена микроорганизмов?

12. Какие факторы регулируют обмен веществ микроорганизмов?

13. Какова роль микроорганизмов в технологии пищевых продуктов?

ТЕХНОЛОГИЯ СОЛОДА

Под солодоращением понимают проращивание различных видов зерна злаковых культур в специально создаваемых и регулируемых условиях. Для получения солода в основном используют ячмень и рожь, реже рис, пшеницу, овес и просо. Конечный продукт проращивания называется свежепроросшим солодом, в результате высушивания он превращается в сухой солод.

Цель солодоращения – накопление в зерне максимально возможного или заданного количества ферментов, главным образом гидролитических.

Солод является основным сырьем для производства пива, он необходим также в спиртовом производстве для осахаривания крахмала, в хлебопечении для выработки многих сортов хлеба и т. д. На рис. 1.2 представлена операционная схема технологического процесса производства солода.

Среди общего выпуска солода различных видов наибольший удельный вес занимает пивоваренный солод. Для производства пива используют только специальные пивоваренные ячмени. Пивоваренный ячмень должен иметь всхожесть 90–95 %, содержание крахмала – не менее 60 %, белка в пределах 9–12 % (увеличение содержания белка способствует помутнению пива, а уменьшение приводит к ухудшению вкуса пива и ослабеванию пены), содержать массовую долю влаги не более 15 %.

При производстве пива используют три сорта солода: светлый, темный и карамельный.