Бродіння клітковини

Клітковина (целюлоза) – це один із найскладніших полісаха­ридів, який характеризується великою стійкістю в хімічному відношенні. З клітковини побудовані оболонки всіх рослинних клітин (на відміну від бактерій і тварин). Організм людини не має ферментів, які б викликали гідроліз клітковини, тому клітковина не засвоюється організмом людини. Деякі ж бактерії і плісеневі гриби мають ферменти, що гідролізують клітковину. До таких ферментів належить фермент целюлоза, що розкладає клітко­вину на більш прості речовини типу целобіози. Остання ферментом целобіазою гідролізується до глюкози. Далі глюкоза перетворюється на масляну і оцтову кислоту, вуглекислий газ, водень та метан.

Таким чином, бродіння клітковини – це розклад її в анаеробних умовах з утворенням масляної і оцтової кислот, вуглекислого газу, водню та метану. В найбільшій кількості утворюються водень та метан.

Збудники бродіння клітковини – це довгі, тонкі, споро­утво­рюючі палички. Спори утворюються на її кінцях. Клітина зі спорою нагадує барабанну паличку (Plectridium). Найкраще вивчені два різновиди збудників цього бродіння, а саме: Bac. cellulosae hydrogenicus, кінцевим продуктом якого є водень і Bac. cellulosae methanicus, який, головним чином, утворює метан.

Бродіння клітковини досить поширене в природі і має місце всюди, де проходить розклад рослинних залишків. Тому це бродіння має велике значення в загальному кругообігу вуглецю в природі. Важливу роль відіграють вони у руйнуванні осадів виробничих побутових стічних вод в очисних спорудах – метантанках. Разом з тим збудники бродіння клітковини приносять і шкоду, руйнуючи різні матеріали, які містять клітковину.

Аеробні процеси

Аеробні процеси – це окиснювальні процеси, при яких органічні речовини окиснюються киснем повітря до кінцевих продуктів розпаду (води та вуглекислого газу) або до більш простих сполук. Якщо повного окиснення речовин до кінцевих продуктів розпаду (води та вуглекислого газу) не відбувається, то такі аеробні процеси називають умовно-окиснювальними бродіннями. Таку назву отримали ці проце­си тому, що продукти окиснювальних бродінь дуже подібні до про­дуктів, які утворюються при справжніх ( анаеробних ) бродіннях.

Типовими прикладами окиснювальних бродінь, що мають широке промислове використання, є оцтовокисле і лимоннокисле бродіння.

Оцтовокисле бродіння

Оцтовокисле бродіння – це процес окиснення етилового спирту до оцтової кислоти в результаті життєдіяльності мікроорганізмів.

З глибокої давнини оцтовокисле бродіння використовувалось для отримання оцту із вина, але суть цього бродіння була вивчена тільки Л. Пастером. Він вивчав оцтовокисле бродіння одночасно зі спиртовим. За часів Л. Пастера у Франції було дуже сильно розвинуте виноробство. Однак вина часто псувались від різних хвороб, прокисали. Л. Пастер вивчав причини прокисання вин. В скислому вині, поряд з дріжджами, він побачив паличкоподібні, неспоро­утворюючі, нерухомі бактерії. Так були відкриті оцтовокислі бактерії.

Хімізм оцтовокислого бродіння. Хімізм цього бродіння відносно простий. Окиснення етилового спирту оцтовокислими бактеріями протікає у дві стадії. На першій оцтовокислі бактерії, використовуючи кисень повітря, окиснюють етиловий спирт до оцтового альдегіду. На другій оцтовий альдегід окиснюється до оцтової кислоти.

О

//

1 стадія: 2С2Н5ОН + О2  2СН3С-Н + 2Н2О

О

//

2стадія: 2СН3С-Н + О2  2СН3СООН

Збудники оцтовокислого бродіння. Оцтовокислі бактерії – це нерухомі, доволі великі палички. Спор вони не утворюють, по Граму забарвлюються достатньо. Відносяться до строгих аеробів, тобто можуть розвиватися тільки при наявності кисню повітря. При розмноженні клітини не відходять одна від одної, тому утворюються цілі ланцюги оцтовокислих бактерій. Сполучення клітин у вигляді довгих ланцюгів зумовлює утворення плівок на продуктах, де розвиваються оцтовокислі бактерії. Різні види оцтовокислих бактерій дають плівки різного характеру (одні дають щільну хрящоподібну плівку, інші – тонку, суху та ін.). Відомо більше 20 видів різних оцто­вокислих бактерій, які відрізняються між собою здатністю накопи­чувати різну кількість оцтової кислоти (одні накопичують 6 %, інші – до 12 % ), різною стійкістю до спирту, різним характером плівки, що утворюється при бродінні, а також розміром.

Оцтовокислі бактерії широко розповсюджені в природі. Вони завжди є в повітрі, на дозрілих плодах, ягодах та інших об’єктах.

Найважливішими представниками оцтовокислих бактерій є такі види:

Bact. Pasteurianum – короткі палички, які розвиваються в середовищі з концентрацією етилового спирту 8–9% і накопичують 6–8% оцтової кислоти.

Bact. aceti накопичує тільки 6% оцтової кислоти.

Bact. Schutzenbahi можуть утворювати до 12% оцтової кислоти. Саме цей вид оцтовокислих бактерій використовують для промисло­вого виробництва оцту.

Bact. xylinum утворює на поверхні субстрату масивну хрящоподібну плівку. Цей вид бактерій в побуті неправильно нази­вають чайним грибом і використовують для отримання в домашніх умовах кислуватого напою із чаю. Утворює незначну кількість оцтової кислоти (не більше 2 %), зате ферментує не тільки етиловий спирт, але й цукор.

Оптимальна температура для розвитку всіх оцтовокислих бактерій 30–35С, при температурі 65С вони гинуть. Деякі види оцтовокислих бактерій здатні синтезувати вітаміни В₁, В₂, В₁₂.

Значення оцтовокислого бродіння. Оцтовокислі бактерії використовують для отримання столового оцту з етилового спирту. В промисловості звичайно використовують так званий швидкий спосіб бродіння. Цей процес протікає у великих дерев’яних вежах (окиснювачах), висота яких 8 м, ширина 3 м. Генератори (окисню­вачі) мають подвійне дно. На верхнє, ґратчасте дно завантажують букові стружки, на поверхні яких вирощують оцтовокислі бактерії. Стружка продувається повітрям, яке поступає через ґратчасте дно. У верхній частині генератора є пристрій для рівномірного зрошення стружки спиртовим субстратом. Оцтову кислоту (оцет), яка утворюється при проходженні субстрату через шар стружки, зливають через сифонний пристрій внизу генератора. Вихідним субстратом для виробництва оцту може слугувати 10 % – ний спиртовий розчин, підкислений 1 % оцтової кислоти, а також виноградні та плодово-ягідні вина. Генератор може працювати без перерви декілька років, якщо робоча культура не буде забруднена шкідниками. До шкідників при виробництві оцту належать плівчасті дріжджі Mycoderma aceti та дикі форми Bact. xylinum, що спричиняють переокиснення оцтової кислоти до вуглекислого газу і води. Цим вони завдають великих втрат виробництву, тому що вихід оцту суттєво знижується. Крім того, в генераторі можуть розвиватися оцтові угриці – дрібні (довжиною 1–2 мм) черв’ячки, що живляться оцтовокислими бактеріями. При цьому оцет мутніє і в ньому з’являється неприємний присмак. Такий оцет можна очистити пастеризацією з наступною фільтрацією.

Останнім часом виробництво оцту здійснюється також "глибин­ним" способом в герметично закритих апаратах. Суть цього способу виробництва в тому, що спиртомісткий субстрат з введеними в нього оцтовокислими бактеріями аерується і змішується з повітрям, яке безперервно подається в апарат. Цей спосіб виробництва має вагомі переваги: великі виробничі площі не потрібні, процес повністю автоматизований, тому проходить значно швидше, виключається можливість зараження шкідниками.

Треба пам’ятати також про те, що спонтанний розвиток оцтово­кислих бактерій може завдавати також великої шкоди, спричиняючи прокисання вина і пива. Для того, щоб попередити прокисання цих напоїв, необхідно зберігати їх у повністю заповнених бочках. Тоді у бочках не буде кисню, а це означає, що не буде умов для розвитку оцтовокислих бактерій. Якщо ж почалось прокисання напоїв, але процес ще недалеко зайшов, напої можна виправити пастеризацією при температурі 65С. Якщо ж розвиток оцтовокислих бактерій виявлено не одразу, а лише тоді, коли напої уже прокисли, то такі напої можна використати тільки для виробництва оцту.