Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Неполные окисления
Образование уксусной кислоты и уксуснокислые бактерии

Большинство аэробных микроорганизмов окисляет органические питательные вещества в процессе дыхания до СО₂ и воды. Поскольку в молекуле СО₂ достигается высшая степень окисления углерода, в этом случае говорят о полном окислении и отличают этот тип дыхания от неполных окислений, при которых в качестве продуктов обмена выделяются частично окисленные органические соединения.

Под «полным окислением» имеется в виду лишь то, что не происходит выделения каких-либо органических веществ; но это вовсе не означает, что окисляется весь поглощенный субстрат. В каждом случае значительная часть субстрата (40-70%) ассимилируется, т. е. превращается в вещества клеток.

Конечными продуктами «неполных окислений» могут быть уксусная, глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная кислоты и ряд других соединений. Поскольку эти продукты сходны с теми, которые образуются при брожениях (пропионовая, масляная, янтарная, молочная кислоты и др.), а также в связи с тем, что при промышленных процессах брожения необходимы специальные технические устройства (ферментеры), неполные окисления называют также «окислительным брожением» или «аэробной ферментацией». Слова «брожение» и «ферментация» в этом случае отражают скорее технологический аспект.

Мы будем причислять к «неполным окислениям» также простое отщепление водорода от субстрата и использование микроорганизмов для катализа некоторых реакций, не имеющих для них какого-либо значения в обычных условиях. Ниже будут рассмотрены некоторые примеры таких окислений.

Всем уксуснокислым бактериям присуща способность к образованию кислот путем неполного окисления сахаров или спиртов. Эти кислоты как промежуточные или как непригодные для использования конечные продукты обмена выделяются в среду. Уксуснокислые бактерии - это грам-отрицательные палочки с перитрихально (Acetobacter) или полярно (Acetomonas = Gluconobacter) расположенными жгутиками, обладающие некоторой подвижностью. Они сходны с псевдомонадами, но отличаются от них высокой толерантностью к кислотам, слабой пептолитической активностью, малой подвижностью и отсутствием пигментов. В природных условиях уксуснокислые бактерии поселяются обычно на растениях. В сахаристых выделениях растений вместе с уксуснокислыми бактериями обитают дрожжи.

С помощью простого эксперимента можно определить, относится ли данная бактерия к группе peroxydans, т. е. к организмам, накапливающим уксусную кислоту лишь в качестве промежуточного продукта, или же к группе suboxydans, у представителей которой уксусная кислота не подвергается дальнейшему окислению. На непрозрачном «меловом» агаре (содержащем этанол, дрожжевой экстракт и СаСО₃) вокруг растущих колоний появляется светлый ореол - результат растворения мела под действием выделяющейся кислоты. В культуре suboxydans этот ореол сохраняется, тогда как в культуре peroxydans в результате дальнейшего окисления уксусной кислоты через некоторое время вновь наблюдается помутнение, связанное с вторичным выпадением СаСО₃ в осадок. Типичным представителем первой группы является Gluconobacter oxydans, а ко второй группе относят Acetobacter осей и А. pasteurianum. Между этими двумя крайними типами существует много промежуточных форм. Acetobacter xylinum, A. aceti и A. acidophilum окисляют уксусную кислоту лишь очень медленно. Большинство уксуснокислых бактерий нуждается в сложных питательных средах.

Уксуснокислые бактерии окисляют первичные спирты в соответствующие жирные кислоты, например

а вторичные спирты - в кетоны, например

Спирты, являющиеся производными сахаров, окисляются в альдозы и кетозы (например, сорбитол в сорбозу). Такое окисление, будучи одним из этапов на пути препаративного получения аскорбиновой кислоты из глюкозы, приобрело большое промышленное значение. D-Copбитол можно получить путем электролитического восстановления D-глюкозы. С помощью Gluconobacter oxydans из растворов, содержащих до 30% сорбитола, получают сорбозу с выходом 90%. Уксуснокислые бактерии окисляют также глицерол, тетритол, пентитол, гекситол и септитолы (например, D-маннитол в D-фруктозу).

Альдегиды, альдозы и кетозы превращаются в соответствующие кислоты, например

D-Глюконовую кислоту уксуснокислые бактерии могут превращать в кетоглюконовые кислоты. Отдельные штаммы различаются между собой по способности образовывать 2- или 5-кетоглюконат. Gluconobacter melanogenum образует 2,5-дикетоглюконовую кислоту (через 2-кетоглюконовую). Эта неустойчивая при pH 4,5 кислота ответственна за коричнево-черную окраску колоний этого вида на агаре с глюкозой (отсюда и название melanogenum).

Технология производства уксуса. Получение уксуса из вина или спирта связано главным образом с одной проблемой - с техникой аэрации (разд. 6.2). Задача состоит в том, чтобы обеспечить тесный контакт бактерий и окисляемой жидкости с кислородом воздуха. Различают три основных способа выращивания бактерий: поверхностное, фиксированное и глубинное выращивание.

Если оставить вино в плоских чашках или бродильном чане, то на его поверхности образуется сплошная пленка культуры Acetobacter xylinum (= Mycoderma aceti). Процесс окисления при такой поверхностной ферментации протекает очень медленно. Фиксированным выращиванием называют все способы, при которых бактерии фиксируются на каком-нибудь опорном материале (например, на виноградных выжимках или измельченных веточках виноградной лозы) в хорошо аэрируемых чанах. При «скоростном» методе получения уксуса содержащую спирт жидкость многократно пропускают через сосуд, наполненный буковыми стружками (генератор), для аэрации которого подают воздух снизу. Все чаще применяют для производства уксуса и глубинные методы.

Биохимия образования уксусной кислоты. Acetobacter и Gluconobacter обладают алкогольдегидрогеназой, глюкозодегидрогеназой и другими полиолдегидрогеназами, которые содержат недавно открытую простетическую группу, названную метоксантином или пирролохинолинхиноном. Эти ферменты находятся на внешней стороне плазматической мембраны и катализируют окисление этанола, глицерола или глюкозы в соответствующие кислоты (уксусную, глицериновую, глюконовую). При этом электроны поступают в электрон-транспортную цепь, а протоны выводятся наружу, в периплазматическое пространство. Метоксантин попадает также в питательную среду и в пищевой уксус, обусловливая его желтую окраску.