Уксуснокислые бактерии

Уксуснокислое брожение

Уксуснокислое брожение является аэробным процессом. Наиболее часто оно наблюдается в слабоалкогольных винах. Оставленные в неполных открытых сосудах, такие вина довольно быстро превращаются в уксус, или, как говорят, скисают. В вине сначала появляется тонкая муть, а затем на поверхности развивается беловато-серая или желтовато-серая нежная пленка.

Явление превращения вина в уксус было известно в глубокой древности. Но лишь в 60-е годы прошлого века (1867 г.) Луи Пастер открыл возбудителей этого микробиологического процесса. Исследуя пленки, появляющиеся на скисающих винах, Пастер пришел к выводу, что они образованы одним видом микроорганизма. Этот микроорганизм и был им назван «уксусный гриб» (Mycoderma aceti). Однако позже выяснилось, что Mycoderma aceti – не один вид, а несколько видов различных уксуснокислых бактерий.

Уксуснокислые бактерии способны окислять не только этиловый спирт в уксусную кислоту, но и пропиловый спирт в пропионовую кислоту, бутиловый спирт – в масляную. Не окисляют уксуснокислые бактерии метиловый спирт и высшие спирты. Это можно объяснить тем, что возникающий при окислении метилового спирта муравьиный альдегид – промежуточный продукт реакции – является ядовитым для микроорганизмов, как и высшие гомологи этилового спирта.

Многочисленными исследованиями установлено, что окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями осуществляется путем его дегидрирования. Суммарную схему процесса обычно представляют в виде уравнения

В средах с достаточно большим содержанием этилового спирта уксусные бактерии окисляют его только до уксусной кислоты. Эта реакция протекает со сравнительно малым энергетическим эффектом, и потому, чтобы получить нужное для жизнедеятельности количество энергии, уксуснокислым бактериям приходится производить окисление больших количеств спирта. Эта особенность внешне сближает уксуснокислое брожение е обычными анаэробными процессами. Но, несмотря на это сходство, уксуснокислое брожение остается типичным аэробным процессом, тем более что при недостатке в среде спирта наблюдается его «полное окисление» – превращение уксусной кислоты в CO2 и H2O (углекислый газ и воду). Подобного окисления продуктов, возникающих при истинном анаэробном брожении, никогда не происходит.

Число видов уксуснокислых бактерий очень велико. Это типичные аэробы, способные образовывать на поверхности субстратов пленки. Размножаются уксуснокислые бактерии чрезвычайно быстро: в течение 12 ч из одной бактериальной клетки может возникнуть до 17 млн. особей. Небольшое количество уксусной кислоты в субстрате ускоряет их размножение. Поэтому при производстве уксуса подвергают сбраживанию не чистые спиртовые растворы, а смеси их с некоторым количеством уксусной кислоты.

Уксуснокислые бактерии всегда можно обнаружить в воздухе, почве, воде, на поверхности плодов и ягод. Встречаются они в любом вине. Родовое название для уксуснокислых бактерий – Acetobacter, предложенное М. В. Бейеринком, в настоящее время является общепринятым и вошло в определители бактерий.

Уксуснокислые бактерии в большинстве своем очень короткие палочковидные клетки размером 2-1,5×1,0 мкм. Спор уксуснокислые бактерии не образуют. Величина и форма их клеток значительно колеблются в зависимости от возраста, вида, условий питательной среды и других причин. При неблагоприятных условиях развития (при высокой температуре, в присутствии больших количеств спирта, солей, яблочной, винной, соляной кислот) появляются сильно увеличенные (гипертрофические) клетки и клетки, изменившие свою форму (инволюционные формы). Оболочка клеток уксусных бактерий ослизняется; у некоторых видов это ослизнение бывает настолько сильным, что они образуют слизистые скопления – зооглеи, в которых бактерии рассеяны сравнительно редко. Температура оказывает очень большое влияние на развитие уксуснокислых бактерий. При охлаждении до 12-15 °С размножение уксуснокислых бактерий в субстрате замедляется, а сами бактерии приобретают вид коротких и толстых палочек. Температура между 15 и 34 °С является для них оптимальной. В этих границах температуры клетки делятся очень быстро, образуя цепочки. При температуре от 35 до 45 °С у некоторых видов уксусных бактерий появляются уродливые клетки в виде прозрачных нитей без поперечных перегородок с разнообразными вздутиями.

Уже указывалось, что способность образовывать на поверхности субстратов пленки свойственна всем уксуснокислым бактериям, но у различных видов она проявляется по-разному. Одни виды образуют очень нежные и хрупкие беловато-серые пленки, даже островки или кольца у стенок сосудов, в которых находится питательный субстрат. Другие виды образуют толстые кожистые пленки.

Все уксуснокислые бактерии подвижны. Однако их подвижность в сильной степени зависит от условий внешней среды – при малом доступе воздуха и высокой температуре клетки теряют подвижность.

Наиболее важными представителями уксуснокислых бактерий являются:

1. Acetobacter aceti (рис. 33) – короткая бесспоровая палочка, способная образовывать длинные цепочки. Цитоплазма клеток йодом окрашивается в желтый цвет. Бактерия выносит довольно высокие концентрации спирта (до 11% об.), накапливает в среде до 6% уксусной кислоты. Оптимум роста 34 °С. При высоких температурах (выше 40 °С) образует нитевидные клетки с грушевидными вздутиями.

2. Acetobacter pasteurianum (рис. 34) – короткая палочка, морфологически близка к предыдущей, отличается от нее тем, что цитоплазма клеток йодом окрашивается в синий цвет.

3. Acetobacter orleanense – небольшая тонкая палочка, заостренная с обоих концов. При развитии на субстрате образует тонкую, но настолько прочную пленку, что жидкость остается совершенно прозрачной. Это дает возможность использовать данный вид уксуснокислых бактерий при производстве уксуса. Раствор йода окрашивает цитоплазму бактериальных клеток в желтый цвет. Бактерия выдерживает концентрацию спирта до 10-12% об. Накапливает в субстрате до 9,5% уксусной кислоты.

4. Acetobacter xylinum образует толстые хрящевидные пленки, достигающие иногда значительной толщины. Цитоплазма клеток окрашивается йодом в синий цвет.

5. Acetobacter schutzenbachii – сравнительно длинные палочки, образующие сплошную, но непрочную пленку только в старых культурах.

Уксуснокислое брожение используется в производстве столового уксуса. Существует два способа приготовления уксуса:

1) французский, или орлеанский, способ, при котором исходным материалом служит подкисленное уксусом и разбавленное водой вино. Брожение ведут в плоских открытых низких чанах. На поверхность питательного субстрата в чане вносят куски пленки Acetobacter orleanense. Когда окисление спирта закончится, из чана спускают 10% жидкости, а взамен добавляют столько же разбавленного вдвое вина;

2) быстрый, или немецкий, способ. Исходным материалом служит разбавленный спирт.

Жидкость пропускают через деревянные цилиндрические или конические чаны, заполненные буковыми стружками для увеличения поверхности, на которой развивается пленка уксуснокислых бактерий. Чаны снабжаются верхним и нижним ложными доньями с многочисленными отверстиями, через которые продувается воздух. Окисляемый разбавленный спирт, разбрызгиваемый из сегнерова колеса, медленно стекает по буковым стружкам и благодаря жизнедеятельности развившихся уксусных бактерий Acetobacter schutzenbachii постепенно превращается в уксусную кислоту. Полученный уксус отбирается из нижней части чана. Исходная спиртсодержащая жидкость поступает сверху.

Уксуснокислое брожение – наиболее опасное заболевание вин, возникающее обычно в жаркие годы в слабоалкогольных винах, хранящихся в неполных емкостях, и приносящее большой ущерб винодельческим хозяйствам. Может наблюдаться уксуснокислое брожение и в слабокислых пастеризованных маринадах при хранении их в негерметичной таре. Маринады при этом «скисают» и плесневеют.

Уксуснокислые бактерии

Уксуснокислые бактерии, выделенные в роды Gluconobacter и Acetobacter, могут получать энергию, осуществляя неполное окисление ряда органических соединений. Это грамотрицательные бесспоровые палочки, слабоподвижные за счет перитрихиально или полярно расположенных жгутиков, или неподвижные. Облигатные аэробы. Довольно требовательны к субстратам для роста. Почти все виды нуждаются в отдельных витаминах, в первую очередь в пантотеновой кислоте, однако есть формы, способные к синтезу всех факторов роста.

К числу окисляемых соединений относятся одноатомные спирты, содержащие от 2 до 5 углеродных атомов, а также многоатомные спирты — производные сахаров. Окисление первичных спиртов приводит к образованию кислот. Например, этанол с помощью соответствующих дегидрогеназ окисляется до ацетата:

Вторичные спирты окисляются до кетонов:

Многоатомные спирты окисляются этими бактериями в альдозы и кетозы, например: сорбит ® сорбоза; глицерин ® диоксиацетон. Альдозы и кетозы могут далее окисляться в соответствующие кислоты. Метаболизирование cахаров осуществляется по окислительному пентозофосфатному пути.

Круг окисляемых соединений различен для разных представителей, входящих в эту группу. С точки зрения характеристики энергетических возможностей уксуснокислых бактерий важно подчеркнуть, что у них развилась удивительная способность воздействовать на определенные химические группировки” осуществляя их одно- или двухступенчатое окисление. Наиболее характерна способность этих бактерий окислять этиловый спирт в уксусную кислоту, давшая название всей группе в целом.

Дальнейшая судьба полученных в результате неполного окисления продуктов различна. Некоторые уксуснокислые бактерии не способны к последующим превращениям образовавшихся соединений, и их окислительные способности, следовательно, весьма ограничены. Эти бактерии, объединенные в род Gluconobacter (единственный вид G. oxydans), глюкозу окисляют до глюконовой кислоты, этанол — только до ацетата, который дальше не может ими окисляться из-за отсутствия “замкнутого” ЦТК.

Вторую группу составляют бактерии, способные к полному окислению органических субстратов до CO₂ и H₂O. В этом случае образовавшаяся уксусная кислота представляет собой лишь промежуточный этап, и после исчерпания из среды исходного субстрата бактерии начинают медленно окислять уксусную кислоту, включая ее в механизм конечного окисления — ЦТК. Бактерии этой группы объединены в род Acetobacter, типичным представителем которого является A. peroxydans.

Электроны от окисляемых субстратов поступают в дыхательную цепь и далее через систему переносчиков передаются на O₂, служащий обязательным конечным акцептором электронов. Электронный транспорт приводит к генерированию Dm_H + .

Место включения электронов в дыхательную цепь определяется ферментом, катализирующим соответствующую окислительную реакцию. Если окисление катализируется НАД-зависимой дегидрогеназой, электроны (водород) передаются на НАД + и с него на переносчики, локализованные на мембране, что открывает возможность для сопряжения электронного транспорта с тремя трансмембранными перемещениями протонов и, соответственно, синтезом 3 молекул АТФ. Недавно у представителей родов Acetobacter и Gluconobacter были обнаружены дегидрогеназы, содержащие в качестве простетической группы соединение из группы хинонов, способные принимать и отдавать 2 атома водорода. Хинонсодержащие дегидрогеназы локализованы на внешней стороне ЦПМ, где и происходит окисление этанола и других соединений. Электроны поступают в дыхательную цепь на уровне цитохромов, а протоны выделяются в периплазматическое пространство.

Уксуснокислые бактерии часто развиваются вслед за дрожжами, используя продукт спиртового брожения как субстрат для роста. Применяются в микробиологической промышленности для получения столового уксуса и в производстве аскорбиновой кислоты (на этапе окисления сорбита в сорбозу).

Уксуснокислые бактерии

Являются вредной микрофлорой, вызывающей уксусное скисание вина. Уксуснокислые бактерии принадлежат к роду Acetobacter. Они имеют палочковидную форму. Клетки короткие, толстые, заключены в капсулу, располагаются в жидкой среде попарно, редко оди­ночно, иногда в виде цепочек.

Некоторые уксуснокис­лые бактерии подвижны. Характеризуются высокой скоростью размножения: при благоприятных условиях из одной клетки за 12 часов может образоваться 17 млн. бактерий.

Свое название уксуснокислые бактерии получили из-за спо­собности окислять этиловый спирт в уксусную кислоту при свободном доступе кислорода воздуха.

Уксуснокислые бактерии легко и быстро размножаются на поврежденных ягодах винограда; попав в сусло, при брожении его они не погибают. Для своего роста и развития они нужда­ются в питательных веществах: углероде, азоте (в основном усваивают его из аминокислот), витаминах. Все уксуснокислые бактерии хорошо используют в качестве источника углерода моносахариды, многоатомные спирты, могут усваивать кислоты, в том числе вырабатываемую ими уксусную кислоту.

Такое явление называется переокислением. Энергию уксуснокислые бактерии получают за счет реакций окисления. Окисление бак­териями этилового спирта в уксусную кислоту сопровождается образованием этилацетата, который придает винам неприятные тона во вкусе и аромате, характерные для уксуснокислого скисания. Из 1 % об. этанола образуется 1 г уксусной кислоты.

Помимо этилового спирта, уксуснокислые бактерии окисля­ют другие одноатомные спирты, а именно: пропиловый спирт — в пропионовую кислоту, бутиловый — в масляную, изоамиловый — в изовалериановую кислоту, а также многоатомные спир­ты— сорбит, глицерин, маннит.

При развитии уксуснокислых бактерий на поверхности вина, виноградного сока, других жидких продуктов переработки вино­града образуются слизистая пленка или пристенное кольцо. Через некоторое время возможно погружение пленки в жид­кость. Характерной особенностью пленки из уксуснокислых бактерий является ее способность всползать на стенки стеклян­ной посуды. Чаще всего бактерии образуют пленку совместно с пленчатыми дрожжами родов Candida, Pichia, Hansenula.

На развитие уксуснокислых бактерий большое влияние ока­зывает температура. Для них благоприятен широкий диапазон: от 10 до 35 °С. Бактерии сохраняются при более низких тем­пературах, но погибают при более высоких в зависимости от величины рН, концентрации сернистой кислоты и других фак­торов. Так, в столовом вине при отсутствии кислорода клетки вида Acetobacter aceti погибают в течение 10 минут при температуре 50 °С.

С повышением крепости столовых вин активность уксусно­кислых бактерий снижается, однако при температуре 20—25°С бактерии способны развиваться и подвергать скисанию вина крепостью 14—16% об.

Уксуснокислые бактерии чувствительны к SO2: при содер­жании его в количестве 125—150 мг/л жизнедеятельность бак­терий приостанавливается при температуре 15—18 °С только на 10 дней; при введении в виноматериал S02 в количестве 50 мг/л в анаэробных условиях они теряют свою жизнедеятель­ность при температуре 10°С и ниже на 5—10-е сут, а при 28— 35 °С — на несколько часов. Для инактивации всех видов уксус­нокислых бактерий необходимо сульфитировать вина до содер­жания в них общего количества S02 не менее 175 мг/л.

Уксуснокислые бактерии развиваются в вине, соках, слабо­алкогольных напитках, в не полностью долитых или недоста­точно плотно закрытых емкостях, при пористой клепке бочек, при брожении мезги, в таре с остатками вина. Вино, в котором брожение закончилось, надо хранить без доступа воздуха.

При хранении вин в металлических и железобетонных емкостях, заполненных ниже установленных норм (недолитых), рекомендуется использовать герметизирующий состав СВС с 2% метабисульфита калия. Производство виноградных соков и напитков на их основе базируется на использовании пасте­ризации — кратковременного нагрева продукта в бескислород­ных условиях при температуре 55—75 °С и выше. В целях про­филактики рекомендуется периодически производить дезинфек­цию помещений, тары и коммуникаций.

Источники:

http://www.spec-kniga.ru/tehnohimicheski-kontrol/osnovy-mikrobiologicheskogo-kontrolya-konservnogo-proizvodstva/vazhnejshie-biohimicheskie-processy-vozbuzhdaemye-mikroorganizmami-uksusnokisloe-brozhenie.html
http://studopedia.ru/11_222087_uksusnokislie-bakterii.html
http://vinocenter.ru/uksusnokislye-bakterii.html