Харчування мікроорганізмів

Харчування мікроорганізмів є складним фізіологічним процесом, за допомогою якого мікроорганізми забезпечують необхідні елементи та енергію для біосинтезу клітинних сполук, для росту, розмноження та підтримки життєво важливих функцій.

Процес живлення відбувається в клітинному метаболізмі шляхом реакцій деградації високомолекулярних сполук до низькомолекулярних сполук, які можуть транспортуватися всередині клітини, ексергонічних реакцій, що відбуваються в клітинному катаболізмі. Одночасно з реакціями катаболізму, використовуючи прості сполуки та енергію, жива клітина синтезує клітинні сполуки, необхідні для росту в анаболізмі. Життя мікробної клітини можливо, якщо два процеси відбуваються одночасно.

Бактеріальна клітина може використовувати від 300 до 600 різних типів молекул, приблизно 50% яких представлено молекулою води та іонів. За підрахунками, без урахування молекул води дріжджова клітина може використовувати до 500 малих молекул і понад 4000 макромолекул.

мікроорганізми Харчова промисловість - це хемосинтезуючі мікроорганізми, які отримують свою енергію, розкладаючи органічні сполуки з вивільненням потенційної енергії поживного субстрату, на якому він розвивається, часто даючи свої специфічні зміни. Під поживним субстратом мається на увазі середовище, що містить воду, джерела енергії (вуглеводні в природі), засвоювані джерела азоту, мінеральних солей та необов'язкові фактори росту.

Типи живлення та джерела поживних речовин

Мікроорганізми, які можуть використовувати СО2 як єдине або основне джерело вуглецю, називаються автотрофами, на відміну від гетеротрофів, які використовують попередньо утворені органічні молекули інших організмів як джерело вуглецю. В результаті адаптації мікроорганізмів до різних умов навколишнього середовища, залежно від доступних джерел, вони можуть належати до 4 типів живлення:

гетеротрофні хемоорганотрофи вони отримують свою енергію хімічним шляхом за допомогою процесів окислення органічних сполук та забезпечують отримання кисню та водню з органічних та неорганічних сполук (грибків та бактерій);
автотрофні фотолітотрофи (водорості, бактерії у воді) використовують світлову енергію в процесах біосинтезу та використовують джерело вуглецю, водню та кисню з неорганічних сполук;
гетеротрофні фотолітотрофи використовувати світлову енергію і як основне джерело вуглецю - CO2 з повітря (сірчані бактерії);
автотрофні хемолітотрофи (сульфобактерії, феробактерії) отримують свою енергію хімічно, а неорганічні сполуки служать джерелом вуглецю та водню.

мікроорганізми з роллю в харчовій промисловості (дріжджі, плісняві гриби та бактерії належать до першого поживного типу. Будучи пристосованими до росту шляхом засвоєння вуглецю з органічних речовин, вони відомі як вибрані агенти для керування процесами промислового бродіння, як псувальні агенти або патогени. У першому поживному типі з органотрофних мікроорганізмів виділяють такі підгрупи:

сапроорганотрофні мікроорганізми (сапрофіти) він розвивається з використанням неживої органічної речовини як джерела вуглецю та енергії. Ця категорія включає більшість мікроорганізмів промислового застосування, а також гнильні бактерії, мікроорганізми, які ростуть на продуктах харчування;
коменсальний мікроорганізм він розвивається на поверхні або всередині живих організмів (рослин чи тварин), які отримують вигоду від цієї асоціації, і харчуються речовинами, які природним чином обумовлені їх метаболічною активністю. Ми можемо навести приклади мікроорганізмів з епіфітної мікробіоти рослин, шкіри, мікробіоти кишечника;
патогенні мікроорганізми або паразитичний вони можуть бути суто патогенними, будучи спеціалізованими для годівлі та життя шляхом паразитування на живій клітині;
потенційно патогенні мікроорганізми вони можуть рости на харчових продуктах, багатих на поживні речовини, і можуть виробляти токсини за певних умов, але, потрапляючи в організм забрудненої їжі, може статися харчове отруєння або токсикоз.

Кращі джерела живлення для органотрофних мікроорганізмів

Джерела вуглецю

Немає джерела вуглецю, яке б не використовувалось мікробно. Наприклад, є мікроорганізми, які можуть використовувати багато джерела вуглецю Pseudomonas cepacia які можуть використовувати понад 100 різних джерел вуглецю, інших бактерій, наприклад роду Летоспіра вони використовують як основне джерело С та енергії лише жирні кислоти з великою кількістю С в молекулі.

Серед природних джерел С, які містяться в харчовій сировині або використовуються у складі культуральних середовищ, переважними є наступні:

поліглюцид: крохмаль, целюлоза, пектинові речовини, які можуть використовуватися переважно бактеріями та мікроорганізмами, що продукують специфічні позаклітинні ферменти;
моноглюцид (гексоза, пентоза),диглюцид, є одночасно джерелом вуглецю та енергії для всіх мікроорганізмів, а також основним джерелом живлення дріжджів;
органічні кислоти (молочна кислота, яблучна кислота, оцтова кислота) може бути джерелом С для мікроорганізмів та деяких дріжджів;
спирти використовуються окисними дріжджами (g. Candida, g. Pichia) та бактеріями (g. Acetobacter).

Оскільки вуглець - це макс. На 50% сухої речовини клітини у складі живильного середовища розраховується кількість поживної речовини, яку слід додати (залежно від молекулярної маси та вмісту вуглецю) для отримання відповідної кількості біомаси.

Поживні речовини з N, P, S

Для росту мікроорганізми потребують великої кількості азоту, фосфору та сірки, а органотрофи можуть отримувати їх або з джерел органічного вуглецю, або з неорганічних сполук. Відомо, що азот (10-14% сухої речовини клітини) необхідний для синтезу амінокислот, пуринів, пуридинів, деяких ліпідів, коферментів. Багато мікроорганізмів можуть використовувати азот з амінокислот та аміаку шляхом безпосереднього включення за допомогою ферментів. Деякі бактерії можуть зменшувати і засвоювати атмосферний азот за допомогою системи нітрогенази і відігравати життєво важливу роль у забезпеченні природного контуру азоту.

Білки можуть застосовуватися в харчуванні лише мікроорганізмами, які продукують позаклітинні протеази, відповідно бактерії - гнильці та цвілі - гнильці. Вони також можуть використовуватися в дріжджових культуральних середовищах - сульфаті амонію та сечовині. Інші сполуки, такі як нітрати, засвоюються цвіллю та бактеріями, нітрити - лише бактеріями (g. Нітросомонада) і з токсичним впливом на дріжджі (розмноження припиняється при концентрації 200 мг нітратів/дм 3).

Мінеральне харчування

Для заготівлі другорядних елементів мікроорганізми віддають перевагу їх солям у такій послідовності: фосфати, сульфати, нітрати, карбонати. Вплив додавання різних мінеральних речовин на ріст може бути різним за питомим індексом корисності, який представляє співвідношення між біомасою, що утворюється на повноцінному культуральному середовищі, та такою, що призводить до дефіциту середовища у відповідній речовині/елементі.

Фактори зростання

Фактори росту - це органічні речовини, які мають важливе значення для росту мікробів і не можуть бути синтезовані цим мікроорганізмом. Відповідно до харчових потреб мікроорганізмів, що входять до першого типу живлення, може бути встановлена певна послідовність; найбільш вимогливі до харчових речовин грампозитивні бактерії, за ними йдуть грамнегативні бактерії та дріжджі та цвіль відповідно.

Фактори росту як структура та метаболічна функція поділяються на 3 категорії:

амінокислоти необхідні для синтезу білка/ферменту;
пурини та піримідини для синтезу нуклеїнових кислот;
вітаміни, які функціонують як протезні групи ферментів або як коферменти.

Залежно від природи мікроорганізмів, потреба в амінокислотах коливається від 0 до 18 амінокислот.

Серед мікроорганізмів харчової промисловості дріжджі роду Сахароміцети потрібні біотин та параамінобензойна кислота, молочнокислі бактерії роду роду Лактобактерії потрібна фолієва кислота, нікотинова кислота, біотин, вітамін В, піридоксин, оцтові бактерії потребують п-амінобензойної кислоти, і Ентеракок faecales потребує 8 різних вітамінів для росту.

Існує також невелика група речовин, що називаються факторами, що стимулюють ріст, і, не будучи необхідними, їх наявність прискорює швидкість росту клітин.

Знання умов культури та харчових потреб кожного мікроорганізму має велике значення як в лабораторній практиці, так і в промисловому вирощуванні, оскільки воно дозволяє регулювати фізіологічну активність або в напрямку отримання біомаси, або продуктів обміну речовин, що мають економічне значення.

Шляхи транспортування поживних речовин у мікробній клітині

Для того, щоб здійснити процес харчування, обов’язковим є потрапляння поживних речовин у клітину, щоб вони метаболізувались. Маломолекулярні розчинні поживні речовини можуть по-різному потрапляти в мікробну клітину. Одним з найпоширеніших способів є проникнення шляхом дифузії, а саме:

пасивна дифузія - це дифузія, що відбувається внаслідок градієнта концентрації, можливо, коли концентрація поживної речовини поза клітиною вища, ніж усередині клітини. Через певні пори плазматичної мембрани поживна речовина потрапляє всередину і метаболізується.
сприяло розповсюдженню досягається завдяки наявності в біомембранах рецепторних білків, званих пермеазами, розташованих у плазмалемі або в периплазматичному просторі. Пермеат розпізнає і пов'язує розчинну молекулу води, змінюючи її конформацію, і вивільняє її всередині клітини. Потім він відновлює своє положення, звернене до зовнішньої сторони плазматичної мембрани, і готовий прийняти нову молекулу. Цей процес може відбуватися до тих пір, поки концентрація молекул живильних речовин вище клітини, ніж всередині.

Спрощена дифузія важливіша в еукаріотичних клітинах для транспорту амінокислот і вуглеводів, тоді як у прокаріотів вона використовується для транспорту гліцерину.

Мікроорганізми часто зустрічаються в місцях проживання, де вміст поживних речовин настільки низький, що їх транспорт і концентрація в клітині важливі для росту. У цій ситуації транспорт здійснюється проти нормального градієнта концентрації, з енергоспоживанням, шляхом активного транспорту та групової транслокації.

Активний транспорт - транспорт у клітині забезпечується навіть за відсутності градієнта концентрації і здійснюється з використанням енергії. Транспорт активується в результаті енергії, що виділяється шляхом перетворення АТФ в АДФ.

Групова транслокація - це активний транспорт, що міститься в дріжджах і цвілях, в яких втручається складна ферментативна система трансфераз, що дозволяє проникненню вуглеводів через мембрани у вигляді фосфорних ефірів. Клітини можуть обмінюватися із зовнішнім середовищем не тільки іонами та вуглеводами, але й високомолекулярними сполучними вуглеводами.

Так, наприклад, бактерії можуть виділяти білки в процесі екзоцитозу. Такі макромолекули також можуть потрапляти в клітину через процеси ендоцитозу.

Медіа культури

Культурне середовище - це складний поживний субстрат, який має роль їжі, яка повинна забезпечувати мікроорганізм, який культивується, необхідну кількість води, джерела вуглецю, азот, мінерали, фактори росту, речовини, що забезпечують кількість енергії, а також усіх елементів, що використовуються клітиною в процесах росту, розмноження та підтримки життєво важливих функцій.

Поживне середовище повинно відповідати таким умовам:

відповідати харчовим нормам;
мають концентрацію речовини, розчиненої в середовищі, яка не впливає негативно на осмотичний обмін клітини;
не містити токсичних речовин або утворювати токсичні сполуки внаслідок зростання культури мікробів;
мають певний pH або rH;
бути стерильним, щоб на ньому не розвивалися лише клітини, введені через посівний матеріал.

У лабораторній практиці культуральні середовища використовуються для ізоляції з природного середовища різних мікроорганізмів для отримання чистих культур, для їх вирощування з метою отримання біомаси або для утримання вибраних чистих культур. У промислових цілях культуральні середовища використовують для отримання клітин або сполук, що є результатом діяльності вибраних мікроорганізмів. Залежно від місця призначення культурні середовища диференціюються наступним чином:

ЗМІ загальної культури що забезпечує розвиток великої кількості видів і родів, оскільки вони включають до свого складу різноманітні поживні речовини.

Серед загальнокультурних середовищ, що використовуються на практиці мікробіологічної лабораторії, ми згадуємо:

рідкий або агарізований м’ясний бульйон (BCA);
триптонове середовище - дріжджовий екстракт - глюкоза - агар;
солодовий - агаровий сусло (ММА) для вирощування дріжджів і цвілі;

Селективні засоби масової інформації є середовищами з визначеним хімічним складом, які дозволяють розвивати невелику групу мікроорганізмів або навіть видів. Ці середовища містять, крім поживних речовин та речовин, що мають інгібуючу дію на інші супутні мікроорганізми, знайдені в мікробіоти, з якої виділена культура, яку ми хочемо відібрати.

Селективним середовищем, що використовується для визначення коліформних бактерій, є BLBV (бульйон - жовч - лактоза - яскраво-зелений), в якому солі жовчі пригнічують інші бактерії, тоді як коліформи пристосовані. Кількість селективних середовищ дуже велика і дозволяє виділити види, що представляють промисловий інтерес, або використовуються для ідентифікації, визначення забруднюючих мікроорганізмів у продуктах харчування.

Культура диференціації засобів масової інформації - ці середовища дозволяють розділяти види за певними біохімічними характеристиками, коли вони були відібрані з різнорідної мікробіоти.

Середовища збагачення (укріплені) призначені для поділу та вирощування мікроелементів, що вимагають поживних речовин, які в невеликій кількості присутні в мікробіологічно аналізованому продукті.

Залежно від складу та походження культурними середовищами можуть бути природні середовища та синтетичні середовища.

Природне середовище вони є найбільш вживаними, оскільки вони відтворюють умови, в яких вони розвиваються мікроорганізми. Природними середовищами рослинного походження є фруктові соки, овочі, солодовий сусло, варені/кашові овочі, фрукти, трав'яні настої.

Як тваринні середовища після стерилізації використовують молоко, кров (для необов’язкових патогенних бактерій), сироватку, м’ясо, м’ясний бульйон, печінку, яйця.

В лабораторних умовах обидва рідкі середовища використовуються, особливо для вирощування факультативних анаеробних мікроорганізмів, для вивчення процесів бродіння, твердих середовищ - хліба, скибочок картоплі тощо. і часто затверділі середовища, отримані додаванням затверджуючих агентів до рідких середовищ.

Для затвердіння культурального середовища використовується:

агар - агар (агар) диглюцид, отриманий з водоростей роду Gelidium, що мають у своїй структурі молекули галактози та D - галактуронової кислоти, пов'язані 1,2,1,3 глікозидними зв'язками. У очищеному стані він представлений у вигляді порошку або волокон і додається 0,5 - 2% рідкого середовища.
желатин затверділий агент білкової природи, витягнутий з органічних тканин. Застосовується в кількості 12 - 15 г% .

На додаток до описаних засобів масової інформації, які можна підготувати в лабораторних умовах, багато компаній спеціалізуються на виготовленні культуральних середовищ, які можуть поставлятися у різних формах. Таким чином, це готові або порошкоподібні середовища, які можна відновити за рецептом та мати тривалий термін зберігання.

Ферментативні середовища - це середовища промислової культури, призначені для виробництва великої кількості клітин або для отримання продуктів метаболізму, що мають економічну цінність.

Різноманітність поживних середовищ також зумовлена здатністю адаптувати багато мікроорганізмів, що знаходяться в природних середовищах існування, і тим фактом, що за рахунок зміни складу поживних середовищ можна досягти більш високого врожаю в продуктах мікробного обміну з економічною цінністю.

Поживні середовища часто використовуються в лабораторних мікробіологічних методах для виділення, вирощування та підтримання чистих культур та для мікробіологічного контролю харчових продуктів.