Производство молочной кислоты

2.2.МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ.
В 1857 году Л. Пастер впервые изучил и объяснил биологическую природу молочнокислого брожения.
Гомоферментативное молочнокислое брожение выражается сле­дующей суммарной химической реакцией:

В действительности оно происходит сложнее. Вначале в ре­зультате гликолиза из одной молекулы моносахарида образуются две молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы НАД.Н₂ . Пировиноградная кислота в анаэробных условиях не превращается в уксусный альдегид, как при спиртовом брожении, так как молочнокислые бактерии лишены фермента пируваткарбоксилазы. Поэтому не уксусный альдегид, а сама пировиноградная кислота принимает водород от восстановленной формы НАД.Н₂ и превращается в молочную кислоту

Реакция катализируется ферментом лактатдегидрогеназой. Гомоферментативное молочнокислое брожение может вызываться микроорганизмами различных таксономических групп, но главным образом бактериями и микроскопическими грибами. Среди последних известны некоторые виды ризопуса и мукора. Оптическая активность образующейся молочной кислоты зависит от стереоспецифичности лактатдегидрогеназы, а также от того, обладает ли микроорганизм лактатрацемазой.
Чаще применяют гомоферментативные бактерии, образующие до 98 % молочной кислоты. Наилучшим источником углерода для них является глюкоза. Молочнокислые бактерии характеризуются ярко выраженной специфичностью по отношению к сахарам: бактерии, развивающиеся на растительных объектах (Lactobacillus), предпочитают мальтозу; развивающиеся на молоке и молочных продуктах (Streptococcus), — лактозу. L. delbruckii ассимилирует также фруктозу, галактозу и сахарозу, не ассимилирует лактозу, раффинозу и полисахариды. Для конструктивного и энергетического обмена может использовать лимонную, яблочную, пировиноградную и другие кислоты. Лимонная и уксусная кислота стимулируют рост бактерий. Молочнокислые бактерии малочувствительны к содержанию в среде меланоидинов. Палочковые формы дают больший выход молочной кислоты.
Возбудителем молочнокислого брожения в про­изводстве молочной кислоты является Thermobacterium cereale — термофильная зерносусловая бактерия. Она была открыта Лейхманом еще в 1896 г. и названа им в честь известного микробиолога М. Дельбрюка Bacillus derbruckii. Родовое название этих бактерий по существу ошибочное, так как все молочнокислые бактерии, за редким исключением (к которому не принадлежит и L. delbruckii), не образуют спор. Однако это название рода так укоренилось, что оно осталось и в современной номенклатуре бактерий.
Молочнокислые бактерии положительно окрашены по Граму, неподвижные факультативные анаэробы. Палочки крупные, дли­ной 7—8 мкм, толщиной 0,5—0,8 мкм, образующие, как правило, короткие цепочки из 2—4 клеток. Особенностью их конструктивного метаболизма являются слаборазвитые биосинтетические способ­ности и, как следствие, сильная зависимость роста от наличия готовых органических веществ (аминокислот, витаминов группы В, компонентов нуклеиновых кислот). Это свидетельствует о прими­тивности их конструктивного метаболизма и о появлении данных бактерий на ранних стадиях развития жизни на Земле. Культивирование молочнокислых бактерий на синтетических средах не удается; это — типичная сусловая культура.
L.delbruckii требовательны к азотному питанию. Набор не­обходимых аминокислот тщательно не изучен, но, как и большин­ству молочнокислых бактерий, им необходим аргинин, цистеин, глютаминовая кислота, лейцин, фенилаланин, триптофан, тирозин и лизин, а, возможно, еще и некоторые другие (L.casei, например, требуется 16 аминокислот). Из витаминов необходимы рибофла­вин, никотиновая или фолиевая кислота; тиамин ингибирует обра­зование молочной кислоты. Потребность в витаминах зависит от температуры культивирования, рН.
Для молочнокислый бактерий нужны натрий, калий, фосфор, медь, железо, сера, магний и особенно марганец. Цинк ускоряет рост бактерий, но подавляет образование молочной кислоты.
К сахарсодержащим средам предложено добавлять: сухие ростки (корешки) ячменного, ржаного и пшеничного солода, со­лодовый экстракт, осадочные винные и спиртовые дрожжи, дрож­жевой автолизат, пшеничные зародыши, молоко, сухой порошок хлореллы и т. д. Обычно пользуются сухими ячменными ростками.
Солодовые ростки содержат до 30% азотистых веществ, около половины которых растворяется в воде. Из сво­бодных аминокислот в ростках найдены: аспарагиновая и глютаминовая кислоты, аргинин, гистидин, лизин, серин, треонин, аланин, валин, метионин, лейцин, изолейцин, р-фенилаланин, пролин. Амиды представлены главным образом аспарагином. Из углеводов, кроме клетчатки и целлюлозы, содержится около 20 % глюкозы и фруктозы, немного мальтозы, В ростках заклю­чена основная масса витаминов и биостимуляторов проросшего зерна (рибофлавин, пиридоксин, цианокобаламин, никотиновая и пантотеновая кислоты, токоферол, инозит, биотин).
Недостатком солодовых ростков является сильное впитывание влаги и набухание, что повышает вязкость культуральной жидко­сти и ухудшает последующее отделение ростков фильтрованием. Ростки должны быть желтого или коричневого цвета, не подгоревшие, не заплесневевшие, с хлебно-солодовым запахом, горьковатые на вкус. По техническим условиям допускается содержание зер­новой примеси 5—6 %, минеральной не более 0,5 %, влажность не выше 10 %.
Оптимальной температурой для развития L. delbruckii считается 48—50°. Достаточной чистоте брожения способствует также слабокислая реакция среды. Оптимальный рН находится около 5,5, несколько изменяясь от состава среды, ее концентрации, температуры сбраживания и штамма молочнокислых бактерий. При рН 4,5 развитие бактерий задерживается, при рН 3,0 — прекращается. Молочнокислые бак­терии лучше развиваются при рН 5,8—6,0, но появляется опас­ность заражения посторонними бактериями. При рН 7 и выше питательная среда утрачивает защитные свойства и инфицируется.
Молочнокислые бактерии не имеют геминовой системы, водо­род переносится не на молекулярный кислород, как у аэробов, а на органические соединения, образующиеся в процессе брожения (пировиноградную кислоту, а, возможно, на 4-фосфоглицериновую кислоту).