Мир микроорганизмов и его разнообразие

3.Мир микроорганизмов и его разнообразие.

    Мир микроорганизмов сложен и разнообразен, они очень широко распространены в природе.

    Микроорганизмы принимают активное  участие в превращении веществ. Они повышают плодородие почвы. Аммонификаторы разлагают белковые вещества. Продукты их жизнедеятельности (аммиак) окисляются нитрифицирующими бактериями вначале до азотистой, а затем до азотной кислоты. Соли азотной кислоты – нитраты- усваиваются высшими растениями. Многие микроорганизмы фиксируют азот из воздуха (азотобактер и др.), обогащают этим элементом почву, что повышает урожайность сельскохозяйственных культур.

    Не менее важную роль микроорганизмы  играют в процессах пищеварения,  особенно у жвачных. В преджелудках жвачных (рубце) ,где находятся целлюлозоразлагающие  микроорганизмы, происходит разложение клетчатки. Продукты жизнедеятельности микробных клеток, а также их тела после гибели используются организмом животного как питательный материал.

    Имеются микробы, способные растворять  металлы, т.е. переводить их  в раствор. Микробы способны  не только растворять,но и создавать металлы.

     С помощью микробов-биосорбентов можно очищать промышленные стоки от тяжелых металлов, в том числе и радиоактивных, что имеет большое значение по предовращению загрязнения окружающей среды.

    Микробы –санитары. Они очищают землю, разлагая трупы животных, остатки растений и загрязненную воду. В некоторых странах очистку отходов бумажных фабрик проводят с помощью микроорганизмов. Для этого загрязненную воду пропускают через большие емкости с целлюлозоразлагающими микроорганизма-ми, и пока они проходит, бумажные отходы разрушаются и вода становится чистой.

     Микробы могут очищать воздух, «поглощая» запахи. Для очистки воздуха используют специально подобранные штаммы микроорганизмов. Скопления таких микробов представляют собой как бы фильтры. Жизнь микробов в «фильтрах» поддерживают водой, которую распыляют при помощи пульверизаторов.

    С помощью микроорганизмов можно получить белки. Их рост и развитие не зависят от времени года и погодных условий, а для своего питания они могут использовать непищевое сырье- отходы сельскохозяйственного производства, целлюлозобумажной, лесной промышленности,  нефть, природный газ. По скорости производства белка микроорганизмы не имеют себе равных в мире живых существ.

    С помощью микроорганизмов получают многие продукты биологического синтеза – антибиотики, аминокислоты, ферменты, витамины, органические кислоты (лимонная, уксусная, молочная); химические вещества (этанол, бутанол, ацетон, глицерин); полисахариды, белок, каратиноиды и другие.

   Продуцентами таких широко распространенных антибиотиков, как пенициллин, стрептомицин, тетрациклин и другие,  являются плесневые грибы и актиномицеты (лучистые грибы).

    Микроорганизмы существуют и в генной инженерии. В качестве клеток-реципиентов обычно используют микроорганизмы и наиболее часто- кишечную палочку.

   Микробы являются не только причиной инфекций, но и средством их лечения. Все вакцины – биологические препараты, которые используются для профилактики болезней, состоят из  микробов.

    Строение и свойства микроорганизмов изучают микробиология, вирусология и др.

28.1) Использование факторов внешней среды для регулирования микробиологических процессов.

       2) Теоретические основы методов консервирования пищевых продуктов и кормов: биоз, абиоз, анабиоз, ценоанабиоз.

 1.  Микробы подвергаются воздействию многих факторов среды. И, не смотря на это, они остаются жизнеспособными в жидком воздухе и в глубоком вакууме, в уксусе и в водах атомного реактора, в окружении живых существ и внутри них. В таких местах могли сохраниться только те организмы, у которых выработалось приспособление к сложившимся условиям.

     Внешние факторы можно также разделить в зависимости от их природы на: физические – воздействие температуры,  лучистой энергии, электромагнитных колебаний; физико-химические – влияние влажности, осмотического давления; химические – влияние рН, окислительно-восстановительных условий среды, химических факторов; биологические – взаимоотношения между микроорганизмами, влияние антибиотиков и фитонцидов.

Температура – один из наиболее важных факторов, определяющих возможность и интенсивность размножения микроорганизмов. Она может быть оптимальной, т.е. наиболее благоприятной для развития, а также максимальной- когда подавляются жизненные процессы, и минимальной,ведущей к замедлению или прекращению роста.

    В зависимости  от отношения к температуре  делятся на психрофилы,  мезофилы и термофилы. Температурные диапазоны роста и развития микроорганизмов этих групп приведены в таблице 1.

Таблица 1. Деление микроорганизмов на группы в зависимости

от отношения  к температуре

Разделение микроорганизмов  на 3 группы весьма условно, так как  микроорганизмы могут приспосабливаться  к несвойственной им температуре.

Действие высоких температур на микроорганизмы. Повышение температуры выше максимальной может привести к гибели клеток. Гибель микроорганизмов наступает не мгновенно, а во времени.

На устойчивость микробов к температуре  оказывают влияние среда обитания, условия, при которых образовались споры. Белки, жиры предохраняют микробы  от действия тепла, а бактерицидные  вещества, наоборот, усиливают его  действие. Микробы могут сохранять  жизнеспособность при t-ре от 85 до 90°.

Влияние низких температур на микроорганизмы. К низким температурам микроорганизмы более устойчивы, чем к высоким, и не вызывают гибели микробов, а лишь задерживают их рост и размножение. Жизнеспособность многих микробов сохраняется при t-ре близкой к абсолютному нулю. При повышении температуры клетки начинают интенсивно размножаться.  

Высушивание и  вакуум. Высушивание  происходит  в результате испарения влаги, уменьшения ее не только в субстрате, но и в микробной клетке. С уменьшением влаги замедляются жизненные процессы, клетка переходит в анаболитическое состояние. На этом принципе основано хранение сухих продуктов.

Жизненные процессы в микробной  клетке замедляются, но не прекращаются. В таком состоянии, особенно в  вакууме, микробные клетки сохраняются десятилетиями.

Обезвоживание при низкой температуре в глубоком вакууме  используется для приготовления  живых вакцин( туберкулеза, бруцеллеза, гриппа), витаминов, ферментов и других биологических препаратов.

Действие видимого излучения (света). Энергия солнца необходима зеленым и пурпурным бактериям, которые с помощью пигментов превращают световую энергию в доступную биохимическую и используют ее затем для синтеза компонентов клеток. Другим микроорганизмам световая энергия может приносить вред, вызывая их гибель. Бактерицидность видимого излучения зависит от длины волны: чем она короче, тем в ней больше заключено энергии, и  поэтому и ее на живые объекты сильнее, и наоборот.

Облучение ведет к усилению фотохимических окислительных процессов, его действие на микробы увеличивается  в присутствии кислорода или  окисляющих веществ.

Действие рентгеновского излучения. Известно с 1898г., когда с их помощью удалось убить культуры кишечной палочки, золотистого стафилококка, холерного вибриона и др. микробов. При облучении микробов в 0,5 Гр(1 Гр=100рад) усиливается рост и образование пигментов, доза в 1 Гр действует менее благоприятно, а излучение в 3-5 Гр приводит к остановке роста. К излучениям боле чувствительны молодые клетки, находящиеся в стадии деления или роста. Устойчивы к облучению вирусы и риккетсии. Чем меньше размеры вирусных частиц, тем выше летальная доза.

Электромагнитные колебания и  ультразвук. Радиоволны - это электромагнитные волны, характеризующиеся относительно большой длиной (от миллиметров до километров) и частотами от 3·10⁴ до 3·10¹¹ герц.

Прохождение коротких и ультрарадиоволн через среду вызывает возникновение в ней переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Гибель микроорганизмов  в электромагнитном поле высокой  интенсивности наступает в результате теплового эффекта, но полностью  механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы не раскрыт.

В последние годы сверхвысокочастотная электромагнитная обработка пищевых  продуктов все более широко применяется  в пищевой промышленности (для  варки, сушки, выпечки, разогревания, размораживания, пастеризации и стерилизации пищевых  продуктов). По сравнению с традиционным способом тепловой обработки время  нагревания СВЧ-энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз, в связи с чем полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства продукта.

Ультразвук. Ультразвуком называют механические колебания с частотами более 20 000 колебаний в секунду (20 кГц).

Природа губительного действия ультразвука на микроорганизмы связана:

• с кавитационным эффектом. При распространении в жидкости УЗ-волн происходит быстро чередующееся разряжение и сжатие частиц жидкости. При разряжении в среде образуются мельчайшие полые пространства – «пузырьки», заполняющиеся парами окружающей среды и газами. При сжатии, в момент захлопывания кавитационных «пузырьков», возникает мощная гидравлическая ударная волна, вызывающая разрушительное действие;

• с электрохимическим действием УЗ-энергии. В водной среде происходит ионизация молекул воды и активация растворенного в ней кислорода. При этом  образуются  вещества,  обладающие  большой реакционной способностью, которые обуславливают ряд химических процессов, неблагоприятно действующих на живые организмы.

Благодаря специфическим  свойствам ультразвук все более  широко применяют в различных областях техники и технологии многих отраслей народного хозяйства. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), мойки и стерилизации стеклянной тары.

           Влажность. Влажность среды оказывает большое воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов. Вода входит в состав клеток и поддерживает тургорное давление в них. Кроме того, питательные вещества проникают внутрь клетки лишь в растворенном состоянии. Обезвоживание субстрата приводит к задержке развития микроорганизмов (состояние анабиоза). При повышении влажности жизнедеятельность микроорганизмов восстанавливается.

Микроорганизмы в зависимости от отношения к влажности делятся на гидрофиты (влаголюбивые),   ксерофиты (сухолюбивые) и мезофиты (средневлаголюбивые). Для большинства бактерий минимальная влажность субстрата 20–30%, а для грибов – 11–13%.

Химические  вещества. Многие химические вещества действуют губительно на микроорганизмы. Такие вещества называют антисептиками. Их действие зависит от концентрации и продолжительности воздействия, а также от рН среды и температуры.

Из неорганических соединений наиболее сильно действуют на микроорганизмы соли тяжелых металлов (золота, меди и особенно серебра). Например, ионы серебра адсорбируются на поверхности  клетки, вызывая изменения свойств  и функций цитоплазматической мембраны.

Бактерицидным действием  обладают многие окислители (хлор, йод, перекись водорода, калий марганцево-кислый), минеральные соли (сернистая, борная,  фтористо-водородная).  Эти вещества  вызывают активные окислительные процессы, не свойственные метаболизму клетки, а также разрушают ферменты.

Органические соединения (формалин, фенол, карболовая кислота, спирты, органические кислоты –  салициловая, уксусная, бензойная, сорбиновая) также могут губительно воздействовать на микроорганизмы.

Органические соединения вызывают коагуляцию клеточных белков, растворяют липиды и т.д. Бактерицидным  действием обладают также эфирные  масла, дубильные вещества, многие красители (фуксин, метиленовая синь, бриллиантовая зелень).

Многие химические вещества используются в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности как дезинфицирующие вещества.  Дезинфицирующие вещества вызывают быструю (в течение нескольких минут) гибель бактерий. Они более активны в средах, бедных органическими веществами. Уничтожают не только вегетативные клетки, но и споры. Они не вызывают появления устойчивых форм микроорганизмов. В пищевой промышленности в качестве дезинфицирующих веществ применяют вещества, содержащие активный хлор (хлорамин, хлорная известь и т.д.).

Применение антисептиков для консервирования пищевых продуктов ограничено, к использованию допущены немногие химические консерванты (бензойная, сорбиновая кислоты и их соли) в малых дозах (от сотых до десятых  долей процента).

2.  В настоящее время все шире изучают и используют различные способы воздействия на микроорганизмы для повышения сроков хранения пищевых продуктов.

При выборе способов воздействия  на микроорганизмы, учитывают их эффективность, совместимость с объектами, безвредность для человека, продукции и окружающей среды, приемлемость для промышленных условий, автоматизации и механизации  технологических процессов.

Основными принципами хранения пищевых продуктов (по Я.Я. Никитинскому) являются:

• Биоз (bios – жизнь). На этом принципе основано хранение свежих фруктов и овощей. При хранении этих продуктов создаются условия, препятствующие развитию микроорганизмов, путем понижения температуры до +5°С и поддержания определенной влажности. При этом сохраняется естественный иммунитет плодов и овощей, что также предотвращает микробную порчу. Хранение свежевыдоенного молока при низких температурах увеличивает продолжительность бактерицидной фаза.

• Абиоз (abiosis – отрицание, уничтожение жизни) достигается физическими и химическими способами. Этот принцип положен в основу хранения мясных и овощных консервов после обработки их в паровом стерилизаторе при 120° С и выше. Также к ним относятся добавление антисептиков, облучение различными формами лучистой энергии, применение антибиотиков, обработку ультразвуком, фильтрование жидкостей с помощью стерилизующих фильтров. При абиозе погибают, как правило, вегетативные и споровые формы бактерий, благодаря чему содержимое консервных банок может храниться неопределенно долгое время. Термический способ стерилизации консервов более надежен, а содержащиеся в банке продукты не представляют опасности для здоровья человека.

• Анабиоз (anabiosis – подавление жизни). Методы хранения, основанные на принципе анабиоза направлены на приостановление жизнедеятельности микробов в продуктах. Создаются такие условия, при которых микроорганизмы могут оставаться живыми, но не жизнедеятельными. К таким методам относятся использование низких температур (охлаждение и замораживание), удаление воды из продукта ниже предела, необходимого для развития микробов (сушка, вяление), добавление к продукту веществ (соли, сахара), создающих высокое осмотическое давление, повышение кислотности продукта путем добавления уксусной кислоты (маринование), создание анаэробных условий, предотвращающих развитие наиболее активных возбудителей порчи – аэробных микроорганизмов (хранение продуктов в газонепроницамом упаковочном материале, вакуумной упаковке, в атмосфере азота). Так хранят рыбные и мясные продукты, фрукты и овощи.

• Ценоанабиоз – принцип хранения, при котором консервирующее вещество вырабатывают сами микроорганизмы. Основан этот принцип на антагонистических взаимоотношениях микроорганизмов: создаются условия для развития полезных микроорганизмов и тем самым подавляется развитие микроорганизмов – возбудителей порчи. При этом полезные микроорганизмы не только не портят продукт, а даже улучшают его пищевые и вкусовые достоинства. На этом принципе основано силосование, квашение овощей, производство кисломолочных продуктов.

Эффективность всех мероприятий, направленных на предупреждение порчи  пищевых продуктов, во многом зависит  от соблюдения общих санитарно-гигиенических  требований и выполнения установленного режима хранения, товарной обработки  и переработки.

   86. Получение кисло-молочных продуктов. Характеристика возбудителей. Условия, активизирующие молочно-кислое брожение. Использование в быту и производстве.

    Молочные продукты содержат легкоусвояемые, необходимые для организма питательные вещества. Некоторые из молочных продуктов обладают не только диетическими. Но и лечебными свойствами. По составу микроорганизмов и вызываемых ими процессов различают продукты молочнокислого и смешанного брожения.

    Простокваша- широко распространенный кисломолочный продукт. В зависи-мости от режима термической обработки молока и состава микрофлоры закваски различают разные виды простокваш: обыкновенную, мечниковскую(болгарскую), южную, ряженку, варенец, ацидофильную и другие.

   Обыкновенную простоквашу готовят из пастеризованного молока путем внесе-ния в него 5% закваски, содержащей чистые культуры мезофильных молочно-кислых стрептококков (Str. lactis и Str. cremoris). Молоко пастеризуют при 85°С в течение 10-15 мин. Для придания готовому продукту определенной консистенции иногда добавляют 0,5% закваски, состоящей из чистой культуры болгарской па-лочки. При t- 30°С через 5-6 ч происходит свертывание молока. Продукт при-обретает плотную консистенцию и слабокислый вкус.

   Мечниковская (болгарская) простокваша. Готовят из пастеризованного молока при t-85-90°С. В состав закваски входят термофильный молочнокислый стрептококк и болгарская палочка(str.thermophilus и Lactobact. bulgaricum). Молоко заква-шивают при t-40°С. Через 3-4 ч молоко свертывается, кислотность продукта достигает 70°Т. Простокваша имеет плотный сгусток, сметанообразную консистенцию и кислый вкус.

   Южная простокваша. В пастеризованное и охлажденное до 30°С молоко вносят закваску, состоящую из болгарской палочки, термофильного молочнокислого стрептококка и культуры молочных дрожжей, сбраживающих лактозу. Сквашива-ние молока проводят при t-45-50°С. Кислотность продукта повышается до 130-140°Т, после чего продукт охлаждают до 8-10°С.

   Ряженка. Используют молоко, содержащее до 6% жира. Стерилизацию проводят при 95°С в течение 2-3 ч. Продукт приобретает специфический цвет, запах и вкус. Молоко скрашивают термофильными расами молочнокислого стрептококка. Образуемый сгусток имеет кремовый цвет, плотную консистенцию и привкус пастеризованного молока.

   Варенец. Молоко стерилизуют в паровом стерилизаторе при 120°С в течение 15 мин или кипятят, охлаждают до 40°С и заквашивают молочнокислым стрептококком и болгарской палочкой. Имеет кремовый цвет, вкус топленного молока. Его кислотность достигает 80-110°Т.

   Ацидофильная простокваша. Готовят так же, как и мечниковскую ,но в состав закваски вместо болгарской вводят ацидофильную палочку(Laktobact. acidophilum). Ацидофильная палочка приживается в желудочно-кишечном тракте, т.е. в той среде, из которой ее выделяют, и поэтому эффективность такого продукта выше ,а его действие продолжительное.

Продукты смешанного брожения. Кефир- кисломолочный продукт, для приготовления используют грибки, в состав которого входят мезофильные молочнокислые микроорганизмы и дрожжи.

Кефирный  грибок представляет собой сложный  симбиоз (совместное существование) микроорганизмов, образовавшийся в процессе длительного  развития. Сжившиеся микроорганизмы ведут себя как целостный организм. Они вместе растут, размножаются и  передают свою структуру и свойства последующим поколениям.

Белые или  слегка желтоватые кефирные грибки обладают кислым специфическим вкусом. Основную их микрофлору составляют молочнокислые  палочки, стрептококки и дрожжи. Они  определяют специфический вкус и  аромат кефира, его питательные свойства. Они могут быть сухими и влажными. Сухие грибки неактивны, перед применением их помещают на 12-24 ч в кипяченую и охлажденную до 30°С воду, а затем- в теплое пастеризованное молоко. Грибки набухают и после промывания могут использоваться в качестве закваски для приготовления кефира.

Пастеризованное молоко сквашивают кефирными грибками при температуре 20°С, а затем при 10°С. Культивирование кефира при  температуре ниже 15°С способствует развитию дрожжей и увеличению продукта брожения- этилового спирта; при более высокой температуре интенсивнее развиваются молочнокислые микроорганизмы, что повышает содержание в продукте молочной кислоты.

Использование в быту и производстве.

    По способу приготовления все кисло-молочные продукты можно разделить на получаемые естественным путем («самоквасом») и путем сквашивания специальными заквасками. Естественно, в процессе сквашивания молока в естественных условиях наряду с молочнокислыми бактериями участвует целый ряд других микроорганизмов, которые кроме молочной кислоты вырабатывают и другие вещества. Этим и объясняется некоторое отличие вкуса самоквасных молочных продуктов от продуктов, приготовленных на заквасках чистых культур.

    Приготовление  кисло-молочных продуктов не требует почти никакого оборудования, что делает это производство доступным не только в молочных хозяйствах, но и в быту. Так многие молочнокислые продукты можно приготовить в домашних условиях из свежего кипяченого молока с использованием молочнокислых культур и заквасок промышленного производства. При этом следует строго соблюдать санитарно-гигиенические требования как в отношении сырья, так и в отношении используемой посуды и оборудования - они должны тщательно мыться и дезинфицироваться. Молочнокислые продукты относятся к скоропортящимся, в домашних условиях они должны храниться в холодильнике.

Таблица № 2

                       Характеристика микробов клеточной организации

Рисунок № 2

Рисунок №3

                                   Движение бактерий