Пропионовокислое брожение

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра микробиологии

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ на тему:

ПРОПИОНОВОКИСЛОЕ  БРОЖЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                      студентки 5 курса 6 группы

                                                                Ботяновской А.Е.

МИНСК

2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ  БАКТЕРИИ	3
ПРОПИОНОВОКИСЛОЕ  БРОЖЕНИЕ	5
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОПИОНОВОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ	11
ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОПИОНОВОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ	14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	16
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ	17

 

 

 

ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ  БАКТЕРИИ

Пропионовые бактерии были впервые выделены из сыров 1878 году Фитцем. Свое название они получили в связи с образованием при брожении больших количеств пропионовой кислоты, которая наряду с пропионатами и пропиоцинами способна подавлять рост патогенных микроорганизмов. Характеризуются образованием витамина В₁₂, гемсодержащих белков и каталазы.

Пропионовокислые бактерии относятся к семейству Propionibac-teriaceae, роду Propionibacterium. В молочной промышленности, в частности, в сыроделии, наиболее часто используют Propionibacterium shermanii.

Пропионовокислые бактерии подразделяют на «классические» и «кожные» (ранее относили к коринебактериям). «Классические» пропионовокислые бактерии подразделены на 4 вида: P.freudenreichii, P.thoenii, P.jensenii, P.acidipropionici. Кожные пропионовые бактерии составляют 3 вида: P.acnes, P.avidum, P.granulosum.

Пропионовокислые бактерии представляют собой мелкие неподвижные, не образующие спор и капсул полиморфные палочки. Клетки могут быть кокковидными, удлиненными, раздвоенными или разветвленными. Располагаются одиночно, попарно, короткими цепочками, в виде букв V или Y или в виде китайских иероглифов. Образуют колонии жёлтого, оранжевого или красного цвета, растут как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Большинство не развиваются при рН среды ниже 5,0 – 4,5. Оптимальная температура развития 30 – 35⁰С, отмирают при температуре 60 – 70⁰С. 

Пропионовокислые бактерии являются возбудителями пропионовокислого брожения – процесса сбраживания моносахаров, молочной и яблочной кислот, глицерина, пептонов и других веществ в пропионовую и уксусную кислоты, диоксид углерода и воду:

3С₆Н₁₂О₆ ® 4СН₃СН₂СООН + 2СН₃СООН + 2СО₂ + 2Н₂О + Е

                 ГЛЮКОЗА                    ПРОПИОНОВАЯ КИСЛОТА    УКСУСНАЯ КИСЛОТА

После молочнокислого брожения, когда лактоза превращена в молочную кислоту, бактерии начинают размножаться.

Местообитание пропионовых бактерий — кишечный тракт жвачных животных, молоко, твердые сыры, в приготовлении которых они принимают участие.

 

ПРОПИОНОВОКИСЛОЕ  БРОЖЕНИЕ

Основные продукты пропионовокислого брожения – пропионовая и уксусная кислоты, а также углекислый газ. Химизм данного типа брожения сильно изменяется в зависимости от условий. Это объясняется способностью пропионовых бактерий перестраивать обмен веществ, например, в зависимости от аэрации. При доступе кислорода они ведут окислительный процесс, а в его отсутствии расщепляют гексозы путем брожения. Пропионовокислые бактерии способны фиксировать CO₂, при этом из пировиноградной кислоты и CO₂ образуется щавелевоуксусная кислота, превращающаяся в янтарную кислоту, из которой декарбоксилированием образуется пропионовая кислота.

В этом брожении, кроме пропионовой кислоты, образуются и такие продукты, как уксусная кислота, углекислый газ, янтарная кислота, ацетоин, диацетил и другие летучие ароматические соединения - диметилсульфид, ацетальдегид, пропионовый альдегид, этанол и пропанол. Химизм данного брожения подобен типичному молочнокислому брожению с той разницей, что образовавшаяся молочная кислота в этом брожении не конечный продукт, а промежуточный. От других типов брожения пропионовокислое отличается высоким выходом АТФ, участием некоторых уникальных ферментов и реакций.

Пропионовокислым бактериям свойственен бродильный тип метаболизма: они расщепляют сахара по пути Эмбдена–Мейергоффа до пропионата, ацетата, СО₂ и сукцината.

В пропионовокислом брожении мы имеем дело с карбоксилированием пирувата, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом. Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика CO₂. Донором CO₂-группы служит метилмалонил-КоА. В результате реакции транскарбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоА:

Ключевую реакцию брожения – превращение α-метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА катализирует кофермент В₁₂.

Когда сбраживаемым субстратом является лактат, он сначала окисляется в пируват. Часть пирувата далее окисляется до ацетил-КоА и СО₂, причем превращение ацетил-КоА в ацетат сопровождается образованием АТФ. Получение в процессе брожения окисленных продуктов, ацетата и СО₂ уравновешивается сопутствующим восстановлением пирувата до пропионата.

Пировиноградная кислота - обязательное промежуточное соединение в брожении.

У пропионовокислых бактерий образование пропионата происходит из дикарбоновой кислоты (пируват + С₁ → сукцинат → метилмалонат → пропионат).

Сначала лактат окисляется до пирувата при участии флавопротеида в качестве акцептора водорода, затем в реакции транскарбоксилирования образуется оксалоацетат. Донором СО₂ служит (S)-метилмалонил-КоА, а переносчиком СО₂ - биотин. Под действием малатдегидрогеназы и фумаразы образуется фумарат, который восстанавливается до сукцината в реакции, катализирующей фумаратредуктазой. Эта реакция сопряжена с синтезом АТФ путем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов. Далее в КоА-трансферазной реакции образуется сукцинал-КоА. Затем под действием метилмалонил-КоА-мутазы, содержащей кофермент В₁₂, осуществляется перегруппировка, ведущая к образованию (R)-метилмалонил-КоА, который не является субстратом для транскарбоксилазы. Скорее всего, (S)-стереоизомер образуется при действии специфической рацемазы. В этом случае в реакции транскарбоксилирования синтезируется пропионил-КоА, и в результате последующего переноса КоА на сукцинат образуется пропионат.

В процессе сбраживания лактата в пропионат потребляется одна молекула NADH₂. Она образуется при окислении лактата до ацетата в соответствии с суммарным уравнением реакций брожения:

Лактат + NADH₂ + AДФ+ Ф_н → Пропионат + NAD + ATФ.

Реакции, ведущие к образованию  пропионовой кислоты у пропионовокислых бактерий, могут быть представлены следующей последовательностью:

1. Пируват + метилмалонил-КоА ↔ оксалоацетат + пропионил-КоА
2. Оксалоацетат + пропионил-КоА
3. Сукцинат + пропионил-КоА (+ КоА-трансфераза) ↔ сукцинил-КоА+пропионат
4. Сукцинил-КоА ↔ (+ метилмалонилизомеразая) ↔ метилмалонил-КоА
5. Метилмалонил-КоА ↔ (+ метилмалонилрацемаза) ↔ метилмалонил-КоА

Суммарно: пируват + 4H⁺→ пропионат.

Превращение оксалоацетата в сукцинат происходит в результате работы малатдегидрогеназы, фумаразы и сукцинатдегидрогеназы. Уксусная кислота образуется в результате окислительного декарбоксилирования пирувата:

6. Пируват + NАD⁺ + КоА (+ пируватдегидрогеназа) ↔ ацетил-КоА + Н⁺ + НAДH + CO₂,
7. Ацетил-КоА + Ф_н (+ фосфотрансацетилаза) ↔ ацетил-Ф + КоА, ацетил-Ф + АДФ (+ ацетилкиназа) ↔ ацетат + АТФ.

Однако пропионовокислое брожение — более сложный процесс, поскольку наряду с пропионовой кислотой в качестве продуктов брожения образуются уксусная, янтарная кислоты и CO₂ (рис. 1):

Рис. 1. Пути образования янтарной, уксусной кислот и CO₂ пропионовыми бактериями: Ф₁ — ФЕП-карбокситрансфосфорилаза; Ф₂ — пируватдегидрогеназа; Ф₃ — фосфотрансацетилаза; Ф₄ — ацетаткиназа

Кроме основных продуктов в разных количествах в культуральной жидкости пропионовых бактерий обнаружены молочная, муравьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бактерий, состава среды и условий культивирования. Это касается как видов накапливаемых продуктов, так и количественных соотношений между ними.

Соотношение продуктов брожения может  быть разное и в значительной степени зависит от степени окисленности источника углерода. При росте на среде с глицерином, например, отношение пропионовая:уксусная – 2:1, с лактатом – 1:1,5 и пируватом – 1:2. С другой стороны, при культивировании пропионовокислых бактерий в строго анаэробных условиях соотношение между количествами кислот отклоняется в обратную сторону; именно в этом случае на одну молекулу уксусной всегда образуется 3 молекулы пропионовой. Также большое влияние имеет значение концентрации ионов водорода. При увеличении концентрации ионов водорода в среде изменяется соотношение основных продуктов брожения: образование уксусной кислоты увеличивается, а пропионовой – заметно уменьшается. Соотношение пропионовой и уксусной кислот зависит от состава, свойств среды и внешних условий существования микроорганизмов. В сырах в период максимального развития культуры пропионовых бактерий (первая фаза) в основном образуются относительно окисленные соединения (уксусная кислота), в период спада развития – преимущественно более восстановленные (вторая фаза). Отношение пропионовой кислоты к уксусной зависит также от вида бактерий. 

Изменение состава карбоновых кислот в питательной среде (соли молочной, пировиноградной и янтарной кислот) значительно влияет на продуцирование пропионовой и уксусной кислот культурами P. shermanii.

Таким образом, уникальность пропионовокислого брожения обусловлена:

1) участием ФЕП – карбоксилтрансфосфорилазы фермента, не обнаруженного у других организмов, синтезирующих пропионат; благодаря наличию этого фермента, брожение, осуществляемое пропионово-кислыми бактериями, работает как циклический процесс.

2) особым способом образования  пропионата, которое сопряжено с восстановлением фумарата до сукцината и окислением пирувата до ацетата и СО₂; транспорт электронов, сопровождающий эти реакции, сопряжен с окислительным фосфорилированием и синтезом АТФ;

3) высокий выход АТФ, превышающий  выход АТФ в других известных  брожениях. 1,5 М глюкозы могут  дать пропионовокислым бактериям около 6 М АТФ.

Энергетическая эффективность  пропионовокислого брожения связана также с выработкой пропионовыми бактериями новых метаболических способностей: реакций транскарбоксилирования и перегруппировки, участия в процессе КоА-производных. Образование дикарбоновой кислоты из пировиноградной с использованием механизма транскарбоксилирования вместо прямого карбоксилирования пирувата позволяет избежать дополнительных энергетических затрат на этом этапе брожения. Все это вместе взятое позволяет рассматривать пропионовокислое брожение как более совершенный из рассмотренных до сих пор способов получения энергии в анаэробных условиях.

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОПИОНОВОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Сыроделие – наиболее древняя биотехнология, использующая биохимическую активность пропионовых бактерий. Первые исследования пропионовокислых бактерий были связаны с изучением их роли в созревании сыров. Наиболее высокими органолептическими свойствами и длительными сроками хранения обладают твердые сычужные сыры с высокой температурой второго нагревания (55-58ºС). К таким относятся сыры сортов Советский, Швейцарский, Бийский, Алтайский, в их созревании кроме P. shermanii участвуют также Streptococcus lhermophilus, Lactobacterium helvetlcum, L. lactis.

Общее правило, касающееся использования  пропионовокислых бактерий в созревании сыров, гласит: вреден как недостаток, так и избыток пропионовокислых бактерий, но без их участия сыр нужного качества изготовить невозможно; могут получаться «слепые», т.е. сыры без «глазков» или с другими дефектами. Многие пороки лучших сыров вызваны отсутствием или слабым ростом пропионовокислых бактерий.

Основная роль пропионовокислых бактерий в созревании сыров состоит в использовании лактатов, образованных молочнокислыми бактериями при сбраживании лактозы молока, при этом лактаты превращаются в пропионовую, уксусную кислоты и СО₂. Кислоты обеспечивают острый вкус сыров и участвуют в консервации молочного белка казеина; гидролитическое расщепление липидов с образованием жирных кислот важно для развития органолептических свойств сыра; образование пролина и других аминокислот, а также летучих веществ: ацетоина, диацетила, диметилсульфида, ацетальдегида, участвующих в формировании аромата сыра; образование углекислоты в процессе пропионовокислого брожения лактата и декарбоксилирования аминокислот; СО₂ участвует в создании рисунка сыра - «глазков», образовании витаминов и в первую очередь витамина В12.