Лабораторная работа № 3 Уксуснокислые бактерии. Микробиологическое производство уксуса

Уксус - водный раствор уксусной кислоты - получают путем бактериального окисления этанола в его разведенных растворах. Уксус используется в качестве пищевой добавки, а также как консервант для сохранения мясных и овощных продуктов. Ежегодно в мире производится примерно 1,6-1012 л уксуса.

Необходимо отметить, что микробиологическое получение уксусной кислоты наиболее предпочтительно для пищевой промышленности, в сравнении с органическим синтезом, так как все продукты естественного брожения являются безвредными для организма человека. В отличие от химически синтезированной уксусной кислоты продукт, приготовленный путем ферментации пищевого спиртосодержащего сырья уксуснокислыми бактериями, носит название «натуральный уксус». Натуральный уксус содержит уксусную и другие пищевые кислоты (лимонную, виннокаменную, яблочную и т.п.), альдегиды, эфиры, сложные спирты, совокупность которых создаёт аромат и букет уксуса.

Сырьём для производства натурального уксуса могут служить: этиловый спирт ректифицированный и вторичные продукты его производства, яблочный и другие плодовые соки, виноградные соки, сброженные виноматериалы. Натуральный пищевой уксус вырабатывается в следующем ассортименте:

  • • спиртовой (из спирта)
  • • яблочный и фруктовый (из плодового сырья)
  • • винный (из виноградных виноматериалов)
  • • спиртовой ароматизированный натуральными

ароматизаторами (специями, экстрактами растений — душица, чабрец, базилик, эстрагон, чеснок, перец, укроп, петрушка и др.)

  • • бальзамический (из виноградных виноматериалов путём выдерживания несколько лет в бочках из разных пород деревьев)
  • • сывороточный (из молочной сыворотки)
  • • солодовый.

Продуцентами уксусной кислоты являются культуры уксуснокислых бактерий, выделенные в роды Gluconobacter и Acetobacter, которые могут получать энергию, осуществляя неполное окисление ряда органических соединений. Образование уксусной кислоты бактериями р. Acetobacter и р. Gluconobacter происходит в результате неполного окисления этанола, при котором кислород используется в качестве акцептора электронов.

Этот процесс включает превращение этанола в ацетальдегид с участием алькогольдегидрогеназы (3.1):

СН3СН2ОН + НАД+ алькогольдегидрогеназа^ СНзСН0 + НАД Н2

образование гидратированного ацетальдегида (3.2):

СН3СНО + Н2О -? СН3СН(ОН)2

и превращение его в уксусную кислоту под действием ацетальдегид-дегидрогеназы (3.3):

СН3СН(ОН)2 + НАД+ ^цегальдегидцегидрогеназа^ СНзС00Н +

надн2

Электроны от окисляемых субстратов поступают в дыхательную цепь и далее через систему переносчиков передаются на О2, служащий обязательным конечным акцептором электронов. Для того чтобы получить высокий выход продукта - уксусной кислоты, требуется обеспечить достаточное содержание кислорода, необходимого для окисления НАД Н2 в дыхательной цепи.

Обобщённая биохимическая реакция окисления спирта до уксусной кислоты (3.4):

С2Н5ОН + О2 СН3СООН + Н2О + 493 кДж/моль

Некоторые уксуснокислые бактерии не способны к последующим превращениям образовавшихся соединений, их окислительные способности 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” цикла трикарбоновых кислот. Вторую группу составляют бактерии, способные к полному окислению органических субстратов до СО2 и Н2О. 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 — цикл Кребса. Бактерии этой группы объединены в род Acetobacter.

Промышленное производство уксусной кислоты включает следующие технологические стадии:

  • 1) получение посевного материала;
  • 2) подготовка питательной среды;
  • 3) ферментация;
  • 4) концентрация и розлив готового продукта.

Существуют три различных биотехнологических способа производства уксуса. Первоначально разработанный метод открытого чана, или Орлеанский метод, состоит в том, что вино помещают для большего контакта с воздухом в мелкие широкие чаны, где уксуснокислые бактерии формируют тонкий слой на поверхности жидкости. Заражение вина бактериями при этом происходит самопроизвольно из воздуха. Процесс ферментации протекает довольно медленно, поскольку в контакте и с воздухом, и с субстратом бактерии находятся лишь на поверхности. Уксус, полученный по Орлеанскому способу, содержит 5-6% уксусной кислоты и, так же как и вино, обладает "букетом”, придающим ему высокое качество.

Более быстрый Немецкий способ основан на использовании проточной системы, где контакт между бактериями, воздухом и этанолом обеспечивается путем пропускания раствора спирта через древесные стружки. Окисление спирта происходит в особых генераторах или чанах, заполненных буковыми стружками, на которых формируется биопленка уксуснокислых бактерий. Подача воздуха в систему снизу вверх и большая поверхность стружек создают хорошие условия аэрации для развития бактерий. После окисления получают уксус, содержащий 9 %-ную уксусную кислоту.

В промышленных условиях уксуснокислое брожение проводят непрерывным способом при глубинном проточном культивировании уксуснокислых бактерий в батарее последовательно соединенных аппаратов. Для этого способа наилучшим сырьем для уксуснокислых бактерий является этиловый спирт, полученный из зернокартофельного сырья.

Выращивание бактерий ведут при температуре 28-37 °C при pH среды 3,0-3,2 при концентрации спирта 7-15 %. После накопления 8 %-ной уксусной кислоты развитие бактерий замедляется и при ее содержании в пределах 12-14 % рост бактерий полностью прекращается. В промышленности уксуснокислое брожение проводят в батарее, состоящей из пяти последовательно соединенных ферментёров.

Перед розливом уксусную кислоту осветляют, пропуская через слой бентонита, или бентонит добавляют в уксусную кислоту и туда же вносят немного лимонной кислоты, после перемешивания производят отделение уксусной кислоты, пропуская ее через фильтр-пресс.

В кулинарии широко используют фруктовый уксус, который отличается от обычного уникальностью лечебных свойств и удивительным набором компонентов, так как в него практически без потерь переходят все полезные вещества фруктов (макро- и микроэлементы, витамины, ферменты, аминокислоты, уксусная, пропионовая, молочная, лимонная и другие кислоты). В технологию получения фруктового уксуса входят стадии измельчения сырья, приготовления сусла, спиртового брожения, фильтрации (процеживания) бражки, уксуснокислого брожения. Оптимальной для роста уксуснокислых бактерий считается температура 26-28°С. Через два-три месяца ферментации винный спирт превращается в уксус, который отличается натуральной мутностью и ароматом фруктов.

Эскизная схема производства уксусной кислоты представлена на рисунке 24.

Основные характеристики биотехнологической стадии производства уксусной кислоты представлены в таблице 2.

Посевной Этиловый Стерильный

9% уксусная кислота

Рис.24 - Схема производства уксусной кислоты

Таблица 2 - Основные характеристики биотехнологической стадии производства уксусной кислоты

Параметры стадии

Значения параметров

Продуценты

Bacterium schutzenbachii,

Bacterium curvum

Компоненты питательной среды

Этиловый спирт, хлорид аммония, сульфат магния, монофосфат калия

pH питательной среды

3,0...3,2

Температура культивирования

28 -? 25°С

Режим аэрации

0,35...0,4—> 0,1. ..0,15 м33-мин

Продолжительность культивирования

7... 10 суток

Содержание уксусной кислоты в культуральной жидкости

От 6...7% до 9... 14%

Характеристика уксуснокислых бактерий. Уксуснокислые бактерии включены в широко распространенную группу грамотрицательных облигатно аэробных палочковидных бактерий. К семейству Acetobacteraceae принадлежат следующие рр. Acetobacter

(типовой род), Acidomonas, Asaia, Gluconacetobacter,

Gluconobacter и Kozakia, некоторые виды которых играют ключевую роль в промышленном производстве уксуса.

Все представители семейства Acetobacteraceae обладают облигатно аэробным дыхательным метаболизмом, используя кислород в качестве конечного акцептора электронов. Общим свойством уксуснокислых бактерий (за исключением рода Asaia) является аэробное окисление этанола в уксусную кислоту с накоплением последней в среде.

После полного окисления этанола представители родов Acetobacter, Gluconacetobacter и Acidomonas окисляют уксусную кислоту далее до СО2 и Н2О. Рост происходит в присутствии 0,35% уксусной кислоты (за исключением рода Asaia), и из глюкозы обычно синтезируется глюконовая кислота.

Уксуснокислые бактерии довольно требовательны к субстратам для роста. Почти все виды нуждаются в 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.

Типовой род Acetobacter. Клетки имеют форму палочек, прямые или незначительно изогнутые, размерами 0.6-0.9 х 1.0-4.0 pm, расположенные раздельно, попарно или в цепочке. Грамотрицательные бактерии, способные к передвижению или неподвижные (если подвижные, то жгутики расположены перетрихально). Эндоспоры не формируются. При развитии на плотной питательно среде образуют бледные колонии, большинство видов не пигментированы. Небольшое число штаммов продуцирует коричневые растворимые в воде пигменты или представляют розовые колонии, вследствие синтеза порфиринов. Обычно каталазо-положительные., оксидазо-негативные. Отсутствие разжижения желатины, образования индола и формирования H2S. Окисляют этанол в уксусную кислоту. Ацетат окисляют до СО2 и Н2О. Лучшие источники углерода для роста - этанол, глицерол и глюкоза. Несколько штаммов нуждаются в присутствии р-аминобензойной кислоты, ниацина, тиамина или пантотеновой кислоты в качестве факторов роста. Хемоорганотрофы. Оптимальная температура ЗО°С. Оптимум pH для роста 4,0-6,0.

Бактерии р. Acetobacter распространены на цветах, фруктах, пальмовом вине, уксусе и могут быть причиной инфекций в виноградном вине, саке, текиле, какао вине, сидре, пиве. Патогенный эффект бактерии р. Acetobacter по отношению к людям и животным не известен. Типовой вид: Acetobacter aceti.

Ход работы:

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >