Способи культивування мікроорганізмів

Культивування можна проводити поверхневим або глибинним, періодичним та безперервним методами, в аеробних або анаеробних умовах.

Спосіб культивування залежить від кінцевої мети культивування: накопичування біомаси або отримання окремого продукту життєдіяльності мікроорганізму (метаболіту).

Поверхневий метод. Поверхневе культивування заключається у вирощуванні аеробних мікроорганізмів на поверхні рідких і твердих поживних середовищ. При цьому мікроорганізми отримують кисень безпосередньо із повітря. У зв’язку з цим при поверхневому культивуванні стараються збільшити площину зіткнення середовища з повітрям. При поверхневому культивуванні на рідких середовищах мікроорганізми ростуть у вигляді плівок (наприклад, при виробництві лимонної кислоти

Глибинний метод . Цей метод культивування використовують на рідких середовищах, в яких мікроорганізми розвиваються по всій товщі. Поєднання поживного середовища і мікроорганізмів які ростуть в ньому називають культуральною рідиною. Так як мікроорганізми можуть утилізувати тільки розчинний в воді кисень, розчиніть кисню у воді невелика, то для забезпечення росту аеробів їх необхідно постійно збагачувати киснем. Процес підведення кисню в глибину рідкого середовища називається аеруванням. Аерування здійснюється шляхом продування стерильного повітря через культуральну рідину.

Глибинний метод широко використовується для отримання біомаси мікроорганізмів (пресовані хлібопекарські дріжджі, кормових дріжджів) і різних продуктів життєдіяльності мікроорганізмів (органічні кислоти, ферменти, антибіотики, амінокислот).

Примусову аерацію в ферментаторах поєднують із перемішуванням середовища за допомогою мішалок, які обертаються із частотою від десятків до тисяч обертів за хвилину. Це забезпечує максимальний контакт клітин із киснем повітря, із поживними речовинами, різко збільшується поверхність стикання клітин і дозволяє підтримувати максимальну швидкість утворення виводу і метаболітів із клітин.

Перевага глибинного культивування заключається у тому, що цей спосіб не потребує великих площ і громіздкого обладнання, об’єм ферментаторів можна збільшити за рахунок збільшення висоти. Перевагою являється також простота обслуговування, можливість автоматизації, а головне, зручність видалення непошкодженого цільного продукту із культуральної рідини.

Глибинне культивування мікроорганізмів може бути періодичним або безперервним. При періодичному методі культивування весь об’єм поживного середовища засівають чистою культурою і вирощування ведуть в оптимальних умовах відповідний час до накопичення потрібної кількості цільового продукту. Оскільки культивування ведеться на поживному середовищі (в стаціонарних умовах), який не відновлюється клітини весь час находяться в умовах які змінюються. Спочатку мікроорганізми мають усі поживні речовини, а потім поступово їх кількість зменшується і починається отруєння шкідливими продуктами обміну. В зв’язку з цим культура в своєму розвитку проходить чотири ф а з и р о с т у і розмноження, на протязі яких змінюються розміри клітин, швидкість розмноження, морфологічні і фізіологічні властивості.

Перша фаза – лаг – фаза, фаза затримки росту, наступає зразу ж після внесення культури мікроорганізмів в живильне середовище. В цій фазі мікроорганізми не розмножуються, а пристосовуються до середовища, проходить підвищення вмісту нуклеїнової кислоти, збільшення розміру. Ця стадія являється підготовкою до подальшого інтенсивного росту і розмноження.

Друга фаза – фаза логарифмічного росту характеризується високою швидкістю розмноження клітин, тому що в середовищі багато живильних речовин і мало шкідливих продуктів обміну. Час, який необхідний для подвоєння числа клітин, називається тривалістю генерації. У сприятливих умовах клітини бактерій діляться кожні 20 – 30 хвилин, їх число збільшується в геометричній прогресії (1,2,4,8,16 і.т.д.).

Третя фаза – стаціонарна (фаза зрілості), коли розмноження мікроорганізмів сповільнюється і швидкість розмноження і відмирання врівноважуються, в результаті чого число клітин остається постійним.

Четверта фаза – фаза відмирання, коли клітини починають гинуть і їх кількість знижується за рахунок відмирання і автолізу.

Періодичне культивування відбувається у багатьох виробництвах, основаних на життєдіяльності мікроорганізмів. Недоліком періодичного культивування являється нераціональні витрати часу на проходження всіх чотирьох стадій розвитку культури, причому період самої активної життєдіяльності – фаза логарифмічного росту – займає невелику частину виробничого циклу.

У харчовій промисловості використовують процеси, основані на життєдіяльність мікроорганізмів. Всі процеси ділять на дві основні групи: перетворення органічних речовин, що не містять азот (різні види бродіння і окислення); перетворення органічних речовин, що містять азот (гниття).

13.Біохімічні процеси,що викликаються мікроорганізмами,їх використання в харчовій промисловості (бродіння:спиртове,молочнокисле,пропіоновокисле,оцтовокисле,маслянокисле).

АНАЕРОБНІ ПРОЦЕСИ (БРОДІННЯ)

До анаеробних процесів відносяться спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, маслянокисле бродіння.

Спиртове бродіння. Викликається дріжджами роду Sacharomyces (сахароміцети). Основні збудники цього бродіння – сахароміцети. Сахароміцети являються факультативними анаеробами. Необхідну для життя енергію дріжді отримують шляхом зброджування моно – і дисахаридів. Крім етилового спирту і СО₂ утворюються побічні продукти: гліцерин, оцтова і янтарна кислоти, сивушні масла. На розвиток дріжджів і бродіння впливає склад середовища, вміст спирту, температура, рН, раси дріжджів. Найбільш сприятлива для дріжджів концентрація цукру 10 – 15%.

На дріжджі несприятливо діє етиловий спирт, який накопичується в середовищі. Концентрація 2-5% пригнічує, а при 12-14% бродіння припиняється. По відношенню до температури сахароміцети поділяються на поверхневі і низові.

Поверхневі або дріжджі верхнього бродіння, викликають бурхливе і швидке бродіння при температурі 20 – 28⁰С. При цьому вони спливають на поверхню. По закінченню бродіння осідають на дно бродильного сосуда рихлим шаром.

Низові або дріжджі низового бродіння, викликають більш спокійне, повільне бродіння при температурі 5-10 ⁰С. Гази утворюються поступово, піни утворюється мало, дріжджі осідають на дно сосуда, утворюючи щільний осад.

Використовують спиртове бродіння при виробництві етилового спирту, пива, вина, в хлібопекарстві. Разом із молочнокислим бродінням його використовують для виробництва квасу, кефіру, кумису.

Молочнокисле бродіння. Це бродіння відомо людині з глибокої давнини. Пояснив це бродіння Луї Пастер (1857). Молочнокисле бродіння – це анаеробний процес розкладання цукру під дією молочнокислих бактерій до молочної кислоти. В залежності від продуктів, що утворюються розрізняють типове (гомоферментативне) і нетипове (гетероферментативне) бродіння.

Гомоферментативне молочнокисле бродіння викликається болгарською паличкою (Lbm. bulgaricum), ацидофільною (Lbm. acidophilum), сирною , (Lbm. helveticum); молочнокислими стрептококами (Str. lactis, Str. cremoris). Ці молочнокислі бактерії розщеплюють цукор до молочної кислоти. При цьому звільнюється відповідна кількість енергії.

Гетероферментативне молочнокисле бродіння викликають діацетилутворюючі молочнокислі стрептококи: діацетілактіс (Str. diacetilactis), цітроворус (Str. citrovorus), ацетоінікус (Str. acetoinicus). Ці молочнокислі бактерії зброджують цукор до молочної кислоти і інших продуктів бродіння (етиловий спирт, діацетил, ацетонїн, оцтова кислота, диоксид вуглецю).

Лимонна кислота, яка міститься у молоці, посилює гетероферментативне молочнокисле бродіння. Гетероферментивні молочнокислі бактерії, які містять фермент цитрозу, зброджують лимонну кислоту до ароматоутворюючих речовин. Процес утворення ароматичних речовин (діацетилу) залежить від рН середовища і окислювально – відновлювального потенціалу.

Молочнокисле бродіння широко використовується в різних галузях практичної діяльності людини: в молочній промисловості, в хлібопекарській, при силосуванні кормів, для виробництва молочної кислоти, при квашенні овочів, при обробці хутряних шкурок.

Пропіоновокисле бродіння викликається пропіоновокислими бактеріями, які відносяться до роду Propionibacterium. Вони зброджують молочний цукор і молочну кислоту до пропіонової, оцтової кислоти, СО₂ і води. Пропіоновокислі бактерії по своїм властивостям схожі на молочнокислі бактерії і часто розвиваються разом з ними.

Пропіоновокислі бактерії – нерухливі, мають форму палички, гіллясту, не утворюють спор, факультативні анаероби, грампозитивні. Існують в основному у кишковому тракті жуйних тварин, а також у молоці.

Використовують у сировиробництві. Спочатку при дозріванні в згустку проходить молочнокисле бродіння, при цьому цукор перетворюється у молочну кислоту. Після цього проходить пропіоновокисле бродіння молочна кислота зброджується утворюється оцтова кислота і пропіонова, що надають сирам кислувато – гоструватий смак, а двиоксид вуглецю утворює “глазки” у сирі. На великих сироробних підприємствах замість довільного дозрівання сиру при участі природної мікрофлори молока використовують спеціальні закваски, іноді з веденням міцеліальних грибів, наприклад P. Rogueforti при виробництві сиру “ Рокфор”.

У пропіоновокислих бактерій виявили властивість до активного синтезу вітаміну В₁₂, який накопичується в середині клітин. Цю особливість використовують для промислового отримання вітаміну В₁₂ на відходах виробництву ( молочній сироватці і ін.) з додаванням кукурузного екстракту в якості джерела вітамінів.

Маслянокисле бродіння. Цей тип бродіння, вперше вивчений Л.Пастером, викликається маслянокислими бактеріями, які розвиваються анаеробних умовах. Маслянокислі бактерії широко розповсюджені у природі. Постійним місцем існування являється грунт, мул на дні озер, боліт, забруднених річок.

Збудниками маслянокислого бродіння являються сапрофіти: клостридіум бутірікум (Clostridium butyricum), клостридіум пастеріанум (Clostridium pasteurianum), клостридіум сахаробутірікум (Clostridium saecharobutyricum). Це великі спороутворюючі палички, рухливі, перитрихи, утворюють спори тому клітини мають форму веретена. В цитоплазмі маслянокислих мікроорганізмів міститься глікоген і гранульоза, що дає з йодом синє пофарбування.

Спори цих мікроорганізмів досить стійкі до нагрівання. В якості джерела вуглеводів маслянокислі бактерії можуть використовувати моно -, ди – і полісахариди. Джерелом азоту служать білки, пептони, амінокислоти а також молекулярний азот.

У народному господарстві маслянокисле бродіння приносить значні економічні збитки, тому що маслянокислі бактерії викликають прогіркання молока, рослинних масел і жирів тваринного походження, здуття сирів, бомбаж консервів, псування овочів і.т.д. При накопиченні масляної кислоти у силосі у кількості 0,3 – 0,4% він непридатний до поїдання тваринами. В той же час маслянокисле бродіння використовують для виробництва масляної кислоти, яку широко використовують у техніці.