Естественные смешанные популяции микроорганизмов и их роль в производстве и порче продуктов

 

Теперь перейдем к изучению процессов, в которых посевной материал поступает из естественных источников. При этом условии природа доминирующих видов определяется в основном составом и количеством поступающих в систему питательных веществ и другими параметрами окружения. Наиболее типичным примером таких процессов является биологическая очистка сточных вод. Для того чтобы понять превращения, происходящие в таких и других близких системах с естественными смешанными популяциями микроорганизмов, необходимо учесть тот факт, что микроорганизмы чрезвычайно разнообразны и очень широко распространены. Поэтому в качестве правила можно принять следующее положение; если условия благоприятствуют росту данного вида микроорганизмов, то он растет или будет расти в этих условиях. Так, в смешанных популяциях, возникающих в аэрируемом реакторе для обработки сточных вод, в результате естественного отбора содержатся в основном виды, хорошо приспособленные к росту в этих условиях.

По этой же причине смешанные популяции микроорганизмов особенно эффективно утилизируют смеси субстратов. В процессах очистки сточных вод эта способность смешанных популяций чрезвычайно выгодна; напротив, последствия могут быть весьма неприятными, если смешанная популяция микроорганизмов атакует такие «субстраты», как пищевые продукты и древесину. Ниже мы рассмотрим такие нежелательные стороны активности микроорганизмов, а обсуждению проблемы биологической очистки сточных вод будет посвящен разд. 14.4.

Порча продуктов или материалов обычно заключается в разложении органических веществ, в том числе полимеров, например белков и полисахаридов. Иногда, например при древесной гнили, порча обусловлена разрушением одного из основных компонентов исходного продукта или материала. С другой стороны, подавляющее большинство нежелательных эффектов порчи пищевых продуктов обусловлено специфическими свойствами продуктов метаболизма атакующих микроорганизмов. И в первом, и во втором случае начальной стадией являются реакции, катализируемые внеклеточными ферментами, продуцируемыми микроорганизмами.

Что касается древесной гнили, то в этом случае ферментная система, выделяемая грибом, разрушает один или несколько из трех основных высокомолекулярных компонентов древесины. Наряду с бактериями грибы участвуют в разрушении пектина в пищевых продуктах. Именно такой механизм ответствен за порчу консервированных фруктов, размягчение маринованных огурцов и гниение овощей. В то же время, как мы уже видели ранее в разд. 4.1.4, пектические ферменты находят и очень удачные сферы применения.

Разрушение белков, с которым связана другая проблема в пищевой промышленности, можно рассматривать как двустадийный процесс. На первой стадии, называемой протеолизом, белки гидролизуются до пептидов и аминокислот. Примером внешних эффектов, сопровождающих эту стадию, может служить разжижение желатина. Затем (обычно в анаэробных условиях) аминокислоты метаболизируются с образованием ряда веществ с отвратительным запахом, например путресцина:

Именно этот процесс (гниение) ответствен за отвратительный запах сгнивших мясных продуктов.

Самый известный пример порчи пищевых продуктов — это, по-видимому, скисание молока. Хотя в большинстве случаев молоко перед расфасовкой пастеризуют, таким путем достигается только дезинфекция продукта, но ни в коей мере не стерилизация. Многие спорообразующие бактерии легко переносят пастеризацию и спустя некоторое время вызывают скисание или порчу молока. Особенно интересны последовательные микробиологические превращения в сыром молоке при комнатной температуре. Сначала стрептококки, бациллы и другие бактерии трансформируют лактозу (молочный сахар). В результате значение рН молока снижается (рис. 14.1), что в свою очередь ингибирует рост начальной смешанной популяции и создает благоприятные условия для роста кислотоустойчивых бактерий, в том числе Lactobacilli. Дальнейшее повышение кислотности (ниже рН 4,7) приводит к образованию и осаждению творожистой массы (резиноподобного материала, состоящего главным образом из белка казеина).

На следующем этапе размножаются дрожжи и плесени, которые могут использовать молочную кислоту в качестве основного питательного вещества; в результате рН повышается. Рост популяций этих организмов затем создает условия, благоприятные для размножения других грибов и бактерий, утилизирующих в качестве питательных веществ жир и казеин. В конце концов запасы кислорода истощаются, и под влиянием анаэробных бактерий начинается процесс гниения.

В естественных смешанных популяциях часто наблюдается подобная последовательная смена доминирующих видов микроорганизмов, каждый из которых превалирует в особенно благоприятных для него условиях. С другими аналогичными примерами мы познакомимся позднее при изучении микробиологии почвы и биологических капельных фильтров. Еще раз обратим внимание на большую практическую важность контроля начальных стадий заражения продукта микроорганизмами; так, как мы уже знаем из материала предыдущего раздела, получение сырной массы из молока под действием бактерий является первой стадией производства сыра.