Bacteriile fermentative

Bacteriile sunt micro-organisme monocelulare, care apartin regnului PROCARIOTA (Monera), cele mai vechi forme de viata, foarte raspandite în aer, apa, sol, pe obiecte, alimente și organisme. Regnul Monera cuprinde doua increngături: Schizophita sau Bacteriophyta (bacteriile) si Cyanophyta (algele albastre-verzi).

Clasificarea Eubacteriilor dupa criterii fiziologice: 1. bacterii fermentative, care produc fermentatii datorita enzimelor proprii:

fermentatia lactica, fermentatia acetica, fermentatia butirica, proces intalnit la topirea plantelor textile;

2. bacteriile fixatoare de azot, care traiesc in radacinile plantelor leguminoase, formand nodozitati (Rhizobium legumi-nosarum);

3. bacterii de putrefactie, care descompun resturile organice; 4. bacterii chimiosintetizante, nitrobacterii-le, sulfobacteriile, ferobacteriile;5. bacterii fotogene care produc lumina in urma unor procese de oxidate;6. bacterii cromogene care produc pigment (rosii, albastri, galbeni)

neasimilatori; 7. bacterii patogene, care produc boli denumite: bacterioze, la plante

(cancerul bacterian al pomilor, al tomatelor, raia neagra a cartofului), animale si om (holera, febra tifoida, tuberculoza, ciuma, sifilisul etc.).

Fermentarea

Este procesul de extragere a energiei din oxidarea de compuşi organici, cum ar fi carbohidratii , folosind un endogen acceptor de electroni, care este, de obicei, un compus organic.

1. Fermentatia alcoolica: consta in transformarea zaharurilor in alcool etilic si acid carbonic sub influenta unor microorganisme, dintre care pe primul loc se afla drojdiile care pot fi considerate ca adevarati agenti ai fermentatiei alcoolice. Exista insa un mare numar de ciuperci care produc descompunerea zaharului cu formare de alcool etilic, atunci cand sunt obligate sa traiasca in conditii anaerobe, asa cum exista si drojdii (Pichia hialospora) incapabile sa produca fermentatia alcoolica.

Categorii de microorganisme ce pot produce prin fermentatie alcool etilic.- mucegaiuri din fam. Mucoraceae, clasele Phycomycetes (Mucor eumycetes

rouxianus sinonim Amylomyces rouxii, Mucor racemosus, Rhizopus orizae),(Aspergillus orizae, Penicillium glaucum, Dematium pullulans);

- bacterii: Bacillus macerans, Bacillus etilicus, Bacillus gracile, etc.

Mecanismul fermentației a fost stabilit de către Gay-Lussac încă din anul 1815:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 22Kcal

În timpul fermentației alcoolice se observă următoarele fenomene: „fierberea” lichidului în fermentație, formarea „pălăriei” formată din materile solide insolubile care urcă sub acțiunea CO2, augmentarea temperaturii, ce trebuie mereu controlată, augmentarea gradației alcoolice proporțional cu diminuarea zahărului, diminuarea densității, schimbarea culorii și degajare de arome noi. Fermentația este sensibilă la temperatură (cald sau frig) și la alcool. 

Procesul de fermentație alcoolică este principalul proces ce stă la baza fabricării:

1.Etanolului2.Berii3. Cidrului4. Bauturilor spirtoase5. Vinului6.PainiiAmidonul din făină este transformat în zaharuri simple sub acțiunea levurilor și mai departe în alcool ce se evapora în cuptor în timpul coacerii și în CO2 care formeaza alveolele pâinii.

 

2. Fermentatia lactica : este procesul biologic din care rezulta ca produs principal acidul lactic.Fermentatia lactica este foarte frecvent intalnita in numeroase produse si domenii agro-alimentare cu destinatie umana si zootehnica, fiind produsa in cele mai multe cazuri de bacterii, dar si de drojdii si mucegaiuri.

Bacteriile care produc acid lactic fac parte din categoria cocilor sau a bacililor .Dupa temperatura la care se dezvolta ele pot fi :

- mezofile : 28-35˚C - termofile : 35-62˚C- psihrofile : prefera temperaturii scazute,pana la 10˚C

Procesul de fermentare poate produce in final :

- doar acid lactic, situatie in care bacteriile lactice se numesc homofermentative

- pe langa acid lactic, ca produs principal, si alti produsi secundari: alcool etilic, bioxid de carbon, acid propionic, s.a., caz in care agentii de fermentatie se numesc heterofermentativi.

Exemple de bacterii lactice :

a) Termobacteriii lactice heterofermentative: Leuconostoc caucasicus (chefir, branza, 37 - 45˚C), Lactobacillus lactis (lapte, branza, 36 - 45 ˚ C), L. helveticus (branza, 37 - 45 ˚ C);

b) Termobacterii lactice homofermentative: L. bulgaricus (iaurt, 45 - 62 ˚ C), L. thermophilus (iaurt, 45 - 62 ˚ C), L. acidophilus (fecale nou-nascuti, 37-45 ˚ C), L. delbruckii (plamezi cereale, 50 ˚ C);

c) Bacterii lactice mezofile heterofermentative: L. buchnerii (vin, plamezi acide, melasa, 28-32 ˚ C), L. brevis (lapte, varza murata, 28-32 ˚ C), L. pastorianus(bere, 28-32 ˚ C);

d) Bacterii lactice mezofile homofermentative: L. casei (lapte, 28-32 ˚ C), L. plantarum (lapte, 28-32 ˚ C);

e) Bacterii lactice psihrofile.

3. Fermentatia propinica: este un proces biochimic anaerob, prin care substratul glucidic este transformat, prin reactii enzimatice datorate enzimelor specifice din componenta bacteriilor propionice, in acid propionic.

Fermentatia propionica are importanta speciala in producerea branzeturilor maturate cu pasta tare si goluri interioare (tip Schweitzer), carora le imprima, in afara incluziunilor alveolare, caracteristici organoleptice specifice si o valoare nutritiva ridicata.

Totodata, bacteriile propionice produc, la maturarea painii, o fermentatie suplimentara, transformand acidul lactic in acid propionic si bioxid de carbon, imbunatatind gustul si cresterea in volum a painii. In partea de microbiologie aplicata se vor arata si alte aplicatii practice ale acestei fermentatii. Bacteriile propionice sunt incluse in familia Lactobacteriaceae, genul Propionibacterium.

4. Fermentatia malo-lactica: este un proces biochimic datorat microorganismelor, sub actiunea carora acidul malic, aflat in fructele necoapte, este transformat in acid lactic si dioxid de carbon. Prin acest proces, aciditatea crescuta a fructelor se reduce cu peste 30%, datorita faptului ca o parte din acidul malic se transforma in dioxid de carbon (0.33g CO2/g acid malic).

Avand o deosebita importanta in vinificarea strugurilor necopti sau cu aciditate ridicata, aceasta fermentatie este determinata de unele bacterii lactice din genurile: Lactobacillus Beijerinck, Leuconostoc si Pedicoccus.

In anii in care strugurii nu se coc suficient, iar vinurile au o aciditate ridicata, prin reducerea aciditatii datorita acestei fermentatii, vinurile devin mai catifelate si mai agreabile la gust. Podgorenii pot favoriza aceasta fermentatie printr-o serie de operatiuni tehnologice la indemana fiecaruia, care vor avea ca efect nu numai reducerea aciditatii vinului, dar vor impiedica si fermentarea acida a zaharului rezidual. Ca principiu, se poate spune ca o fermentare lactica dirijata prin selectionarea naturala a unor bacterii lactice heterofermentative va avea ca efect favorizarea reducerii continutului de acid malic.

5. Fermentatia anaeroba metanica: Prin acest tip de fermentatie are loc o degradare anaeroba a unor reziduuri rezultate din activitatile gospodaresti si transformarea lor in metan, hidrogen si alte produse combustibile, sub actiunea mai multor grupe de microorganisme.

Deseurile animaliere, gospodaresti, orasenesti, biomasa vegetala autumnala, etc., sunt degradate de trei grupe de microorganisme, si anume:

a) in prima grupa sunt incluse bacterii anaerobe din genurile Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus si Butyrivibrio si bacterii facultativ anaerobe ca Escherichia coli si Bacillus ce degradeaza biopolimerii ca celuloza, proteinele, etc., formand H2, CO2, etanol, acizii formic, butiric, si propionic, alcoolii etilic si metilic;

b) grupa a doua cuprinde microorganismele ce transforma acesti produsi in aldehida acetica activata si anume genurile: Syntrophobacter, Syntro

phomonas si Desulfovibrio; c) a treia grupa este compusa din

bacterii metanogene ce transforma produsii rezultati din prima si a doua etapa (H2, CO2, alcoolii, acizii, s.a.) in metan.

6. Fermentatia butirica : reprezinta un proces biologic anaerob prin care bacteriile butirice metabolizeaza diverse surse, in speial hidrocarbonati, transformandu-le in acid butiric. Acest tip de fermentare asigura energia necesara desfasurarii functiilor vitale si multiplicarii agentilor de fermentatie.

Bacteriile butirice au un echipament enzimatic foarte diversificat, permitandu-le sa foloseasca ca mediu de dezvoltare substrate poliglucidice, proteice, pectine cu macromolecule complexe, dar si compusi chimici mai simpli ca de exemplu monoglucide, acizi organici (lactic, propionic), alcooli (glicerina,), compusi cu azot, etc.

Morfologic, bacteriile butirice se prezinta sub forma de bastonase care sporuleaza usor. Bacteriile butirice sunt raspandite in pamant, cereale, produse lactate, conserve, materii fecale, etc., efectul prezentei lor fiind, in majoritatea cazurilor, nedorit. Produselor agricole si alimentare  le depreciaza calitatea (produc bombajul conservelor si balonarea tarzie a branzeturilor, imprima un gust specific neplacut unor bauturi alcoolice, etc.).

In raport cu produsul finit al fermentatiei, bacteriile butirice pot fi clasificate dupa cum urmeaza:

a) bacterii butirice propriu-zise (zaharolitice), din care evidentiem speciile mai importante pentru domeniul agro-alimentar: Clostridium saccharobutiricum, Cl. tyrobutiricum, Cl. pasteurianus, Cl. nigricans;

b) bacterii butirice producatoare de solventi, ce metabolizeaza, de asemenea, compusii hidrocarbonati, dar produc, dupa fermentatia butirica, alcool etilic, acetona, alcooli propilic, butilic, pentilic (propanol, butanol, pentanol), grupa din care se amintesc: Clostridium buthyricum, Cl. acetoaethylicum, Bacillus macerans;

c) bacetrii peptonolitice, reprezentand o grupa de bacterii de putrefactie, ce foloseste ca substrat peptone, peptide, aminoacizi si alti compusi organici continand azot (de exemplu ureea), dintre care mentionam: Clostridium sporogenes, Cl. hystoliticum, Cl. stiklandi (bacterii alterante ce produc bombarea conservelor), Cl. botulinum, Cl. perfringens (agenti ce produc toxine grave pentru om si animale).

Donker, citat de Motoc, a propus in 1926 urmatoarea clasificare:

a) genul Aerobacillus - grupeaza bacteriile facultativ anaerobe care ataca zaharurile atat in mediu aerob cat si anaerob, din care fac parte speciile: Bacillus macerans (produce dextine cilice), Bac. acetoaethylicus, Cl. polymyxa;

b) genul Clostridium - cuprind bacterii strict anaerobe care degradeaza zaharurile numai prin fermentare: Cl. Pasteurianus (produc amareala vinurilor tinere),Amylobacter pectinovorum (agentul topirii inului) etc.;

c) genul Pectoclostridium - ataca glucidele, dar si compusii de degradare a proteinelor, facand o jonctiune intre bacteriile butirice si cele de putrefactie.

7. Fermentatia celulozei : celuloza, care este cea mai raspandita poliglucida din natura, este descompusa fermentativ de numeroase bacterii (aerobe si anaerobe ) si de ciuperci.

Din celuloza:- prin fermentatia hidogenata, determinata de Bacillus fossicularicum  se

obtine in cantitae insemnata hidrogen, acid propionic, acid lactic, acid butiric, alcool etilic etc.

- sub actiunea lui Bacillus metanicus, se produce metanul, care apare in cantiate mare in fermentatia balegarului.

Degradarea fermentativa a celulozei, sub actiunea microorganismelor, se produce in natura in cantitate foarte mare, atat in conditii aerobe, cat si anaerobe. Rezultatul acestui proces este insemnat, deoarece resturile de plante din sol sunt transformate in substante ce contribuie la fertilitatea solului.

8. Fermentatii oxidative (aerobice): sunt reactii biochimice de natura enzimatica, prin care, in prezenta oxigenului molecular din aer, substantele substratului sunt transformate in acizi organici.

I. Fermentatia acetica : este un proces biologic aerob, de natura enzimatica, prin care substratul asupra caruia actioneaza microorganismele (alcoolul etilic) este transformat in acid acetic (otetul este o solutie continand 6 - 9% acid acetic), astfel incat acesta reprezinta principalul produs finit al fermentatiei acetice. Dupa mediul in care se dezvolta, Hannenberg si Lazar clasifica bacteriile acetice in:

• bacterii acetice izolate din plamezi amidonoase (Gluconobacter suboxidans, Acetobacter industrium);

• bacterii acetice izolate din bere (Acetobacter kutzingianum, A. Pasteurianum);

• bacterii acetice izolate din vin (A. Ascendens, A. Teurianum);• bacterii acetice industriale (Bacterium acetigenum).

II. Fermentatia citrica: este produsa de anumite  ciuperci  din genul Citromyces si Aspergillus care determina transformarea glucozei in acid citric si apa.

III. Fermentatia succinica, fumarica si malica : sub actiunea unor ciuperci din genurile Mucor, Aspergillus si Rhisopus, glucidele se transforma in acid succinic, acid fumaric si acid malic.

IV. Fermentatia oxalica : sub actiunea diverselor ciuperci si bacterii, se obtine acidul oxalic din substanta foarte diferite, cum sunt: glucidele, glicerina, peptonele, acizii ( citric, succinic, malic tartric, acetic ), alcooli, etc. Acidul oxalic se formeaza in cantitate mai mare din zahar, sub actiunea mucegaiului Sterigmatocytis nigra, in prezenta sarurilor de fier. Daca fierul lipseste, in loc de acid oxalic se obtine acidul citric. Pentru ca caidul oxalic sa se formeze in cantitae mai mare, este necesar ca in mediul de cultura amicroorganismelor sa se introduca subxstanta alcaline, capabile sa neutralizeze acidul oxalic format.

Pe langa fermentatiile amintite, in natura se desfasoara spontan si alte tipuri de fermentatii, cum sunt fermentatiile hexonice, pentonice, ale poliolilor,  ale aminoacizilor etc.

Intre diversele fermentatii anaerobe si aerobe exista o legatura metabolica, desi produsele finale sunt diferite. Din glucide, prin degradari fermentative, se obtine in prima faza acidul piruvic, din care ultrerior prin reactii de oxido-reducere, decarboxilare, carboxilare, se formeaza diverse produse finale sub actiunea unui sistem enzimatic specific. Acidul piruvic are un rol important in procesele fermentative, fiind situat la incrucisarea mai multor cai metabolice.

Realizat de : Hangu Rebeca Leta Florina