Уксуснокислое брожение
Уксуснокислое брожение является аэробным процессом. Наиболее часто оно наблюдается в слабоалкогольных винах. Оставленные в неполных открытых сосудах, такие вина довольно быстро превращаются в уксус, или, как говорят, скисают. В вине сначала появляется тонкая муть, а затем на поверхности развивается беловато-серая или желтовато-серая нежная пленка.
Явление превращения вина в уксус было известно в глубокой древности. Но лишь в 60-е годы прошлого века (1867 г.) Луи Пастер открыл возбудителей этого микробиологического процесса. Исследуя пленки, появляющиеся на скисающих винах, Пастер пришел к выводу, что они образованы одним видом микроорганизма. Этот микроорганизм и был им назван «уксусный гриб» (Mycoderma aceti). Однако позже выяснилось, что Mycoderma aceti - не один вид, а несколько видов различных уксуснокислых бактерий.
Уксуснокислые бактерии способны окислять не только этиловый спирт в уксусную кислоту, но и пропиловый спирт в пропионовую кислоту, бутиловый спирт - в масляную. Не окисляют уксуснокислые бактерии метиловый спирт и высшие спирты. Это можно объяснить тем, что возникающий при окислении метилового спирта муравьиный альдегид - промежуточный продукт реакции - является ядовитым для микроорганизмов, как и высшие гомологи этилового спирта.
Многочисленными исследованиями установлено, что окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями осуществляется путем его дегидрирования. Суммарную схему процесса обычно представляют в виде уравнения
В средах с достаточно большим содержанием этилового спирта уксусные бактерии окисляют его только до уксусной кислоты. Эта реакция протекает со сравнительно малым энергетическим эффектом, и потому, чтобы получить нужное для жизнедеятельности количество энергии, уксуснокислым бактериям приходится производить окисление больших количеств спирта. Эта особенность внешне сближает уксуснокислое брожение е обычными анаэробными процессами. Но, несмотря на это сходство, уксуснокислое брожение остается типичным аэробным процессом, тем более что при недостатке в среде спирта наблюдается его «полное окисление» - превращение уксусной кислоты в CO2 и H2O (углекислый газ и воду). Подобного окисления продуктов, возникающих при истинном анаэробном брожении, никогда не происходит.
Число видов уксуснокислых бактерий очень велико. Это типичные аэробы, способные образовывать на поверхности субстратов пленки. Размножаются уксуснокислые бактерии чрезвычайно быстро: в течение 12 ч из одной бактериальной клетки может возникнуть до 17 млн. особей. Небольшое количество уксусной кислоты в субстрате ускоряет их размножение. Поэтому при производстве уксуса подвергают сбраживанию не чистые спиртовые растворы, а смеси их с некоторым количеством уксусной кислоты.
Уксуснокислые бактерии всегда можно обнаружить в воздухе, почве, воде, на поверхности плодов и ягод. Встречаются они в любом вине. Родовое название для уксуснокислых бактерий - Acetobacter, предложенное М. В. Бейеринком, в настоящее время является общепринятым и вошло в определители бактерий.
Уксуснокислые бактерии в большинстве своем очень короткие палочковидные клетки размером 2-1,5x1,0 мкм. Спор уксуснокислые бактерии не образуют. Величина и форма их клеток значительно колеблются в зависимости от возраста, вида, условий питательной среды и других причин. При неблагоприятных условиях развития (при высокой температуре, в присутствии больших количеств спирта, солей, яблочной, винной, соляной кислот) появляются сильно увеличенные (гипертрофические) клетки и клетки, изменившие свою форму (инволюционные формы). Оболочка клеток уксусных бактерий ослизняется; у некоторых видов это ослизнение бывает настолько сильным, что они образуют слизистые скопления - зооглеи, в которых бактерии рассеяны сравнительно редко. Температура оказывает очень большое влияние на развитие уксуснокислых бактерий. При охлаждении до 12-15 °С размножение уксуснокислых бактерий в субстрате замедляется, а сами бактерии приобретают вид коротких и толстых палочек. Температура между 15 и 34 °С является для них оптимальной. В этих границах температуры клетки делятся очень быстро, образуя цепочки. При температуре от 35 до 45 °С у некоторых видов уксусных бактерий появляются уродливые клетки в виде прозрачных нитей без поперечных перегородок с разнообразными вздутиями.
Уже указывалось, что способность образовывать на поверхности субстратов пленки свойственна всем уксуснокислым бактериям, но у различных видов она проявляется по-разному. Одни виды образуют очень нежные и хрупкие беловато-серые пленки, даже островки или кольца у стенок сосудов, в которых находится питательный субстрат. Другие виды образуют толстые кожистые пленки.
Все уксуснокислые бактерии подвижны. Однако их подвижность в сильной степени зависит от условий внешней среды - при малом доступе воздуха и высокой температуре клетки теряют подвижность.
Наиболее важными представителями уксуснокислых бактерий являются:
1. Acetobacter aceti (рис. 33) - короткая бесспоровая палочка, способная образовывать длинные цепочки. Цитоплазма клеток йодом окрашивается в желтый цвет. Бактерия выносит довольно высокие концентрации спирта (до 11% об.), накапливает в среде до 6% уксусной кислоты. Оптимум роста 34 °С. При высоких температурах (выше 40 °С) образует нитевидные клетки с грушевидными вздутиями.
2. Acetobacter pasteurianum (рис. 34) - короткая палочка, морфологически близка к предыдущей, отличается от нее тем, что цитоплазма клеток йодом окрашивается в синий цвет.
3. Acetobacter orleanense - небольшая тонкая палочка, заостренная с обоих концов. При развитии на субстрате образует тонкую, но настолько прочную пленку, что жидкость остается совершенно прозрачной. Это дает возможность использовать данный вид уксуснокислых бактерий при производстве уксуса. Раствор йода окрашивает цитоплазму бактериальных клеток в желтый цвет. Бактерия выдерживает концентрацию спирта до 10-12% об. Накапливает в субстрате до 9,5% уксусной кислоты.
4. Acetobacter xylinum образует толстые хрящевидные пленки, достигающие иногда значительной толщины. Цитоплазма клеток окрашивается йодом в синий цвет.
5. Acetobacter schutzenbachii - сравнительно длинные палочки, образующие сплошную, но непрочную пленку только в старых культурах.
Уксуснокислое брожение используется в производстве столового уксуса. Существует два способа приготовления уксуса:
1) французский, или орлеанский, способ, при котором исходным материалом служит подкисленное уксусом и разбавленное водой вино. Брожение ведут в плоских открытых низких чанах. На поверхность питательного субстрата в чане вносят куски пленки Acetobacter orleanense. Когда окисление спирта закончится, из чана спускают 10% жидкости, а взамен добавляют столько же разбавленного вдвое вина;
2) быстрый, или немецкий, способ. Исходным материалом служит разбавленный спирт.
Жидкость пропускают через деревянные цилиндрические или конические чаны, заполненные буковыми стружками для увеличения поверхности, на которой развивается пленка уксуснокислых бактерий. Чаны снабжаются верхним и нижним ложными доньями с многочисленными отверстиями, через которые продувается воздух. Окисляемый разбавленный спирт, разбрызгиваемый из сегнерова колеса, медленно стекает по буковым стружкам и благодаря жизнедеятельности развившихся уксусных бактерий Acetobacter schutzenbachii постепенно превращается в уксусную кислоту. Полученный уксус отбирается из нижней части чана. Исходная спиртсодержащая жидкость поступает сверху.
Уксуснокислое брожение - наиболее опасное заболевание вин, возникающее обычно в жаркие годы в слабоалкогольных винах, хранящихся в неполных емкостях, и приносящее большой ущерб винодельческим хозяйствам. Может наблюдаться уксуснокислое брожение и в слабокислых пастеризованных маринадах при хранении их в негерметичной таре. Маринады при этом «скисают» и плесневеют.