Владимир Бетина - Путешествие в страну микробов

• Название: Путешествие в страну микробов
• Автор: Владимир Бетина
• Издательство: Мир
• Жанр: Биология
• Год: 1976

Первые шаги ученых в исследовании микроорганизмов, место микроорганизмов в биосфере, вирусы и механизм наследственности, использование микроорганизмов на благо человека — таков далеко не полный перечень проблем, которые освещает в своей книге словацкий ученый. Многочисленные фотографии, схемы и рисунки помогают лучше понять те сложные процессы природы, о которых лаконично и просто рассказывает автор.

Книга рассчитана на школьников старших классов, интересующихся миром микроорганизмов, на студентов, аспирантов и преподавателей.

---

О роли дрожжей в получении вина долгое время ничего не было известно. Муть, осаждавшуюся в конце брожения на дне сосудов и состоявшую, как мы знаем, в значительной мере из клеток дрожжей, немецкий монах и алхимик XV века Базилиус Валентинус считал за faeces vini (выделения, облагораживающие вино). У французских вин очень давние традиции. Говорят, что бургундские виноградники были заложены 2000 лет назад. Когда в 600 году финикийцы основали портовый город Марсель, там уже якобы пили славное бургундское вино.

Луи Пастер, раскрывший сущность брожения, научил своих соотечественников «излечивать» болезни вин отбором качественных дрожжевых культур и пастеризацией готового продукта. Лучшими винными дрожжами являются Saccharomyces cerevisiae elipsoideus.

В Словакии виноделием славится область Малых Карпат, а также районы на юге и востоке страны. Центр виноделия на склонах Малых Карпат — старинный городок Модра, в гербе которого изображена веточка лозы с гроздьями винограда.

Как получают пиво

Пивоварение — один из самых древних производственных процессов — применяется человеком уже 5000 лет. Основателями пивоварения считают древних египтян. Согласно мифологии, бог Озирис научил человека варить пиво, чтобы облегчить ему тяготы жизни. В легендах северных народов хранителем и покровителем бродильных чанов был бог Химер.

В ассирийских табличках 2000 года до н. э. упоминается, что Утнапиштим (ассирийское имя Ноя) взял в свой ковчег среди прочих продуктов и пиво. Еще более древние сведения мы находим в шумерском рельефе древнего Ура (около 2600 лет до н. э., в эпоху, царствования царицы Шуб-ад). На нем изображены две женщины, потягивающие пиво через тонкие соломины (такой способ питья отнюдь не является достижением нашего века!). Приблизительно к тому же периоду относятся египетские папирусы четвертой династии, в которых описывается приготовление солода из ячменя (фото 65). Древние китайцы пили киу — напиток типа пива, получаемый из риса, — уже в 2300 году до н. э. Высадившийся в Центральной Америке Колумб обнаружил у индейцев пиво, приготовляемое из кукурузы.

На научную основу пивоварение было поставлено лишь Пастером, который на протяжении нескольких лет изучал «болезни» пива. В результате он получил точное представление о деятельности дрожжевых грибов и о влиянии посторонних микроорганизмов на процессы брожения. Свои наблюдения и рекомендации пивоварам ученый обобщил в 1876 году в книге «Исследования о пиве». Датский исследователь Эмиль Христиан Ганзен, изучавший микробиологические процессы, ввел в производство пива чистые культуры дрожжей. По названию Карлсбергской лаборатории в Копенгагене, рассылавшей пивные дрожжи во все страны мира, они получили название Saccharomyces carlsbergensis (фото 66).

В Европе основным сырьем для пивоварения служит ячмень. Зерна высококачественного ячменя насыпают слоем в несколько сантиметров, увлажняют и проращивают. Эти искусственно проращенные зерна называются солодом. Во время прорастания в зернах образуются ферменты, используемые в дальнейших процессах.

Солод высушивают, перемалывают и смешивают в определенной пропорции с водой. При постепенно повышаемой температуре (от 40 до 70 °C) в действие вступают ферменты, разлагающие крахмал на сахара, которые переходят затем в водный раствор. Кроме сахаров, в раствор попадают компоненты белков и минеральные соли. Полученную смесь подвергают кратковременному кипячению, после чего твердые частицы (дробину) отфильтровывают, а в оставшуюся чистую жидкость, называемую суслом, кладут шишки хмеля и снова варят. Из хмеля выделяются различные соединения, они придают жидкости особый аромат и обладают бактерицидными свойствами. При кипячении жидкость стерилизуется. Затем ее фильтруют, в результате получается раствор, содержащий различные сахара (преимущественно глюкозу), аминокислоты, минеральные соли и другие вещества. Он служит питательной средой для дрожжевых грибов, которые засевают в большие бродильные чаны. Брожение протекает при температуре около 10 °C и продолжается 10 дней, а при более высокой температуре (15–23 °C) — около недели. На поверхности бродящей жидкости в результате освобождения углекислого газа образуется пена.

Перебродившее таким образом пиво еще непригодно к употреблению и после отделения дрожжей должно в течение нескольких недель дозревать в больших сосудах при температуре около 0 °C. За это время процесс брожения постепенно заканчивается, некоторые вещества осаждаются. После их устранения в пиво вводят под давлением углекислый газ, способствующий образованию пены и обеспечивающий более длительную сохранность. Затем пиво разливают в бутылки, где оно подвергается пастеризации.

На дрожжевом заводе

Под старым замком Матуша Чака на левом берегу реки Ваг на скале выбита надпись, свидетельствующая о пребывании в конце II века легии римского императора Марка Аврелия на территории теперешней Словакии. Скала и развалины замка на ней — свидетели древней славы города Тренчин. На правом берегу реки расположен небольшой завод, принесший известность городу и в наше время. Ежедневно с его конвейера сходят деревянные ящики с надписью «Тренчинские дрожжи». Проследим их путь, начиная с заводской лаборатории.

В небольшом сосуде Ганзена в жидкой питательной среде находится культура дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В каждой капельке среды видны под микроскопом тысячи овальных клеток. Из этого сосуда постепенным пересевом во все большие и большие сосуды дрожжи наконец попадают в большие цилиндрические емкости, называемые в производстве бродильными чанами. Там также находится питательная среда. Главный ее компонент — патока, получаемая с сахарных заводов. В патоке много примесей (до 50 %), так что добывание из нее сахара себя не оправдывает.

Кроме патоки, разведенной водой, питательная среда содержит фосфорнокислые соли, аммиак и другие необходимые для жизнедеятельности дрожжей вещества. После стерилизации жидкость в чанах охлаждают до 28 °C и засевают культурой дрожжей. При постоянно поддерживаемой температуре, непрерывном перемешивании и подаче стерильного воздуха дрожжи начинают усваивать подготовленную для них пищу. Содержащиеся в патоке сахара они разлагают на спирт и углекислый газ, вспенивающий жидкость в чанах и уходящий в атмосферу. При этом они получают энергию. Азот из аммиака, фосфор из солей фосфорной кислоты и углерод из сахаров — главные биогенные элементы, из которых клетки дрожжей образуют новую живую массу. Эта биомасса постепенно увеличивается, клетки, размножаясь, делятся на новые и новые, и по прошествии 12 ч брожение заканчивается. Дрожжи вместе с жидкостью поступают по трубам в сепараторы, где происходит их разделение — кашеобразная масса с дрожжами уходит в одном направлении, а жидкость — в другом. Из дрожжей под прессом удаляют воду и получают пекарские дрожжи — всем хорошо известную плотную, бесструктурную светлую массу.

Производство спирта

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae применяются и в производстве спирта. Кроме приготовления напитков, спирт используется также в качестве ценного сырья в химической промышленности. Применяется он и в медицине.

Производственный процесс получения спирта очень схож с производством пекарских дрожжей. Основное различие — в интенсивности снабжения питательной среды воздухом. При поступлении в бродящую жидкость достаточного количества воздуха происходит полное разложение сахаров на углекислый газ и воду, причем образуется обильная масса дрожжевых клеток. Если же поступление воздуха в период брожения ограничено, разложение сахаров задерживается на стадии образования спирта. Чтобы лучше уяснить себе различие между производством дрожжей и спирта, попробуем кратко охарактеризовать происходящие при этом процессы.

Патока содержит углевод сахарозу, который под влиянием ферментов дрожжей разлагается на более простые соединения — глюкозу и фруктозу. Разложение этих сахаров происходит одинаково вплоть до важного промежуточного продукта, называемого пировиноградной кислотой. Вот тут-то и появляются существенные различия в производстве дрожжей и спирта. Если в питательную среду кислород поступает в достаточном количестве, то пировиноградная кислота включается в серию химических реакций, заканчивающихся ее разложением на углекислый газ и воду, причем освобождается химическая энергия, необходимая для образования белков в клетках, — так получают дрожжи.

За исследование процесса биохимических реакций от пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды двум английским биохимикам, Кребсу и Липмену, была присуждена Нобелевская премия. Кребс в то время заведовал кафедрой биохимии Оксфордского университета. Его коллеге Липмену мы обязаны открытием важного соединения — кофермента А, играющего решающую роль во многих жизненных процессах.