Классификация процессов брожения по конечным продуктам. Мко – возбудители различных типов брожения.

Молочнокислое брожение одно из распростра-ненных бродильных процессов. Это брожения осу-ществляют мко, относящиеся к родам Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc. Данные виды объединены в гр. молочнокислых мко по способности утилизировать лактозу, глюкозу и галактозу с образов. молоч. кислоты в качестве основного продукта метаболизма.

По биохимич. закономерностям и составу прод-уктов метаболизма различают гомоферментатив-ное и гетерофермент. молочнокис. брожение.

1. Гомофермент. брожение - основной продукт является молочная кислота. Суммарное уравнение процесса: С ₆Н ₁₂О ₆ + Н ₃РО ₄ + 2 АДФ → 2СН ₃СНОНСООН + 2 АТФ + 2 Н ₂О

Промежуточные реакции катаболизма глюкозы протекают по гликолитическому пути. Мко, спосо-бные ассимилировать лактозу, характеризуются наличием фермента β-галактозидазы.

Ключевая реакция процесса восстановления ПВК до молоч. кислоты катализируется двумя стереоспе-цифичными лактатдегирогеназами. Коф-ерментами L- и О-лактатдегирогеназ является НАД, аллостерическим эффектором, повышающим активность фермента фруктозо-1,6-дифосфат. Сни-жение концентрации субстрата приводит к подав-лению активности лактатдегидрогеназ, в результа-те чего бактерии трансформируют ПВК в муравьи-ную, уксус. кислоты, этанол и др. продукты мета-болизма, накапливая дополн. запас энергии.

Аналогичные процессы имеют место при сме-щении рН питательной среды в слабощелочную сторону. Т.о, деление на гомо- и гетерофермента-тивные культуры являются весьма условным.

2.Гетероферм. брожение характеризуется образованиием СО₂; укс., пропионовой и других орган.кислот; этанола и других метаболитов, являющихся производными ПВК. Данный тип молочнокислого брожения подразделяют на брожение идущее с выделением СО₂ и без.Суммарные уравнения имеют вид:

- в первом случае:С ₆Н ₁₂О ₆ + Н ₃РО ₄ + АДФ →

СН ₃СНОНСООН + АТФ + СО₂ + СН ₃СН ₂ОН

- во втором случае:С ₆Н ₁₂О ₆ + 5 Н ₃РО ₄ + 5 АДФ →

2 СН ₃СНОНСООН + 5 АТФ + 3 СН ₃СООН

Процесс спиртового броженияиспользуется в БТ для получения этанола и глицерина. Суммарное уравнение процесса имеет вид:

С ₆Н ₁₂О ₆ + 2 Н ₃РО ₄ + 2 АДФ → 2 АТФ + 2 СО₂ + С ₂Н ₅ОН

Кроме этанола и СО₂, всегда образуются побоч-ных продукты: глицерин, уксусной кислота и др.

По механизму утилизации углеродного субстра-та возбудители спирт. брожения делятся на 3 гр:

1)Мко, расщепляющие сахара по пути гликолиза до ПВК с восстанем до этанола. Клюючевыми реакциями пр-са являются декарбок-силирование ПВК и восст-ние ацетальдегида до этанола. Это бактерии рода Clostridium, Thermoa-naerobacter и др. термофилы, вызывающие спирт. брожение.

2)Мко, способные расщеплять углеводы до ПВК по пути Энтнера-Дудорова. К этой гр. относятся Zymomonas mobilis, некоторые виды Pseudomonas.

3)Мко, расщепляющие углеводы по гексозомо-нофосфатному пути до ксилулозо-5-фосфата. Это Гетероферментативные молочнокислые мко.

Ацетоно-бутиловое брожение. Бактерии рода Clostridium вызывают брожения смешанного хара-ктера, протекающие в строго анаэробных условии-ях. Продуктами брожения, могут быть кислоты (масляная, уксусная, молочная); спирты (бутинол, изопропанол, этанол); ацетон и газы (Н₂ и СО₂).

Процессы брожения называют по основным конечным продуктам. Наиболее распространенным является бутанол-ацетон-изопропиловое брожение. Этот тип брожения в обычных условиях вызывает боль-во видов клостридий, в первую очередь Cl.acetobutylicum. Бактерии Cl.butylicum вызывают бутанол-изопропиловое брожение, Cl.butylicum - масляноуксусное брожение.

В. 2. Влияние субстрата и продуктов метаболизма на скорость роста микроорганизмов.

Основополагающим принципом при разработке моделей, описывающих влияние концентрации субстрата на удельную скорость роста культуры, является положение о существовании лимитирующего субстрата даже в сбалансированных по составу питательных средах. Лимитирующий субстрат – это вещество, концентрация которого определяет интенсивность протекания ключевых реакций конструктивного метаболизма клетки и, как следствие, скорость роста культуры.

Наиболее распространенная количественная модель была предложена Моно (ввел понятие урожайности – экономического коэффициента):

μ = μ_max [S] / (K_s + [S]),

Форма уравнения взята по аналогии с уравнением Михаэлиса-Ментена из кинетики ферментативного катализа на основании концепции «узкого места», т.к. все реакции в клетке протекают с участием ферментов, то скорость роста в целом будет определяться некоторой стадией метаболизма (узким местом).

Модель Моно дополняет экспоненциальную модель роста, устанавливая взаимосвязь между текущими значениями концентрации биомассы и субстрата:

d[X]/dτ = μ [X] = μ_max [X][S] / (K_s + [S]),

Большинство существующих в настоящее время моделей данного типа основываются на уравнении Моно и направлены на его уточнение по двум направлениям:

1). Учет торможения роста культуры избытком субстрата:

μ = μ_max [S] / (K_s + [S] + S²/K_i),

2). Уточнение физического смысла константы K_s :

- зависимость величины K_s от концентрации субстрата или биомассы:

μ = μ_max [S]; μ = μ_max [S] / (K_s*[X]+ [S]),

K_s ([S₀] – [S])+ [S]

- зависимость величины K_s от возраста культуры:

μ = μ_max [S] / (В*K_s + [S]),

Существует ряд моделей, альтернативных рассмотренным выше:

1). Модели, основанные на представлениях об «эндогенном» метаболизме, в результате которого лишь часть субстрата расходуется на образование биомассы, а остальные используются на поддержание метаболизма клетки:

-d[S] / dτ = (-d[S] / dτ)_рост + (-d[S] / dτ)_энд.

X + S 2X + P; d[X] / dτ = K*[X]*[S].

В ряде случаев практический интерес представляет рассмотрение зависимости скорости роста от концентрации продуктов метаболизма (кинетика торможения, рост культур в периодических условиях) независимо от концентрации субстрата или совместно с последней. Наиболее простой является модель Хиншельвуда, основанная на представлениях о тормозящем действии продуктов на скорость роста клеток в экспоненциальной фазе:

d[X] / dτ = K_р*[X]*(1 – К_т [P]).

Известны случаи (например, при направленном синтезе антибиотиков), когда процесс роста биомассы описывается комбинированными моделями, включающими и уравнение Моно, и скорость гибели клеток:

d[X] / dτ = K_р*[X]*(1 – К_т [P]).

Современные представления о кинетических закономерностях роста микроорганизмов в присутствии продуктов метаболизма, основаны на работах Н.Д.Иерусалимского, обосновавшего зависимость удельной скорости от концентрации продуктов с использованием принципа «узкого места» метаболизма.

Уравнение Иерусалимского аналогично по форме уравнению Михаэлиса-Ментон:

μ = μ_о К_р / (K_р + [Р]),

Поскольку ограничиться действием продукта без учета концентрации субстрата практически невозможно, чаще используется уравнение Моно-Иерусалимского:

μ = μ_о К_р*[S] / (K_s + [S])*(К_р + [P]),

Существуют модели, основанные на представлениях о кинетике торможения роста микроорганизмов продуктами метаболизма по типу полного или неполного конкурентного ингибирования: