DEGRADAREA MICROBIOLOGICA A COMPUSILOR ORGANICI MACROMOLECULARI

Metabolizarea compusilor organici macromoleculari la nivelul celulei microbiene consta in descompunerea amidonului si glicogenului, descompunerea celulozei si a hemicelulozei, degradarea substantelor pectice, descompunerea lipidelor, degradarea acizilor nucleici, degradarea chitinei si transformarea protidelor.

1 DEGRADAREA POLIOZELOR

Dintre compusii macromoleculari constituenti ai biomasei vegetale in natura, cantitatea cea mai mare este reprezentata de polioze: amidonul, celuloza si hemiceluloza.

In biotehnologii amidonul reprezinta sursa cea mai valorificata, ca atare sau dupa hidroliza care conduce la molecule simple (glucoza, maltoza) ce pot fi transportate prin membrana celulara.

Dintre enzimele microbiene care hidrolizeaza amidonul fac parte a-amilaza, b-amilaza si glucoamilaza, enzime extracelulare elaborate de bacterii, mucegaiuri si drojdii.

Tabelul 13

Microorganisme care pot degrada amidonul

Hidroliza enzimatica a amidonului cu enzime vegetale (din malt) sau enzime microbiene, cu formare de glucide fermentescibile este un proces cu mare importanta practica in biotehnologia spirtului, a berii, a panificatiei sau pentru obtinerea siropurilor dulci a dextrinelor, a maltozei, a glucozei cristalizate.

In conditii naturale, degradarea amidonului prezinta o pierdere iar produsele alimentare bogate in amidon sau materiile prime (cereale) sufera usor deprecierea prin mucegaire tocmai pentru ca amidonul este sursa importanta de carbon si energie.

Celuloza si hemiceluloza se formeaza prin fotosinteza si se estimeaza ca anual energia solara este convertita astfel cu formarea de 2X10¹¹ tone carbon/an. Dintre toti compusii organici celuloza reprezinta 40% din substanta organica formata. Microorganismele care produc enzime celulozolitice extracelulare: endoglucanaze, exoglucanaze, celobiaza folosesc celuloza ca sursa de carbon si energie.

Hidroliza enzimatica a celulozei are loc schematic astfel:

Produsii intermediari de hidroliza sunt metabolizati diferentiat in functie de natura microorganismelor si de prezenta sau absenta oxigenului din aer.

Tabelul 14

Modalitati si caracteristici ale procesului de degradare a celulozei

2 DEGRADAREA SUBSTANTELOR PECTICE

Substantele pectice se gasesc in cantitate mare in fructe, legume, tulpini, radacinoase sub forma de protopectina insolubila, partial asociata cu celuloza si alte polioze. Dupa recoltarea fructelor si legumelor, in timpul conservarii lor, prin activitatea microorganismelor, are loc inmuierea tesutului vegetal datorita hidrolizei substantelor pectice.

Mucegaiurile si bacteriile sunt adaptate si pot sa produca enzime pectolitice care transforma protopectina insolubila in pectina solubila sub actiunea protopectinazei. Degradarea are loc cu eliberare de CO₂.

Dintre bacteriile care pot sa elibereze enzime pectolitice amintim bacterii ale genului Erwinia, Xanthomonas, Bacillus, Clostridium.

Drojdiile au activitate pectolitica redusa.

Mucegaiurile produc degradarea substantelor pectice in conditii de aerobioza, mucegairea este asociata cu inmuierea tesutului dupa care are loc putrezirea umeda. Dintre genurile producatoare de enzime pectolitice: Aspergillus niger, Penicillium expansum, Botrytis cinereae. Aceste mucegaiuri se folosesc pentru obtinerea de endo si exopoligalacturonaze folosite in industria sucurilor de fructe.

Descompunerea naturala a substantelor pectice este folosita in Romania, la topirea inului si a canepii, care are loc dupa imersarea plantelor in apa, sub actiunea bacteriilor din speciile: Pseudomonas fluorescens, Clostridium felsineum, Granulobacter pectinivorum.

3 DESCOMPUNEREA LIPIDELOR

Microorganismele producatoare de lipaze extracelulare pot sa hidrolizeze lipidele prezente in materia nevie precum si cele continute in materiile prime sau in produsele alimentare, cu formare de glicerol si acizi grasi. Acestia pot fi metabolizati de celula microbiana in scopul cresterii, reproducerii si intretinerii functiilor vitale.

Lipazele sunt sintetizate de numeroase microorganisme cum ar fi mucegaiuri din genurile: Rhizopus, Mucor, Aspergillus, Fusarium, Penicilium, Geotrichum si drojdii din genul Candida.

In industria alimentara, microorganismele care degradeaza lipidele au o influenta negativa asupra alimentelor deoarece prin activitatea lor lipolitica catalizeaza procesul de rancezire.

Activitatea lipazica a unor preparate enzimatice obtinute cu mucegaiuri selectionate poate fi dirijata in directia fabricarii unor branzeturi cu aroma imbunatatita sau pentru imbunatatirea digestiei in terapeutica impreuna cu lipaza pancreatica.

4 DEGRADAREA ACIZILOR NUCLEICI

Acizii nucleici continuti in toate celulele eucariote, procariote si in particolele virale pot fi degradati pe cale microbiana de catre microorganisme care pot sintetiza ribonucleaze si dezoxiribonucleaze. Pot produce degradarea acizilor nucleici cu formarea de 2,3 - ciclonucleotide si fosfati, bacterii ale genurilor: Staphilococcus, Bacillus, Clostridium.

5 DEGRADAREA CHITINEI

Chitina - poliglucid cu azot - prezent mai ales in aripile insectelor, la viermi, moluste, dar si in structura peretilor celulari ai fungilor poate fi degradata sub actiunea chitinazei, produsa de Pseudomonas chitinovorans, cu eliberare de N - acetilglucozamina.

6 TRANSFORMAREA PROTIDELOR

Protidele sunt compusi macromoleculari ce contin elemente cu rol vital pentru toate formele de viata. In celula vie protidele au rol structural si functional iar dupa moartea fiziologica, prin procese de proteoliza enzimatica protidele sunt transformate in compusi simpli - sursa de azot pentru microorganismele implicate in circuitul natural al azotului. Transformarea consta in hidroliza sub actiunea proteazelor extracelulare produse de catre bacterii si mucegaiuri.

Degradarea protidelor de origine animala poarta denumirea de putrefactie. In cazul protidelor de origine vegetala degradarea se mai numeste putrezire.

Drojdiile nu pot folosi protidele in procesul de nutritie deoarece ele contin proteaze intracelulare, care se pot elibera din celule numai prin dezintegrarea invelisurilor celulare sau dupa autoliza celulelor. Cunoasterea procesului de autoliza are implicatii in tehnologia vinurilor. Cand fermentatia alcoolica este finalizata, enzimele celulelor de drojdie sunt inactivate, iar celulele moarte sunt separate de vinul fermentat. Aceste celule, in contact cu vinul, i-ar imprima o rezistenta scazuta la pastrare, un gust si miros neplacut.

Figura 16: Schema generala de degradare a protidelor

Agenti tipici de degradare a protidelor

Putrefactia este produsa de bacterii aerobe, facultativ anaerobe si strict anaerobe, care se dezvolta optim pe produse cu pH neutru si activitatea lor este inhibata la pH = 4. Procesul este initiat de catre bacteriile aerobe care se pot dezvolta in mediu cu pH acid si care pregatesc conditiile pentru bacteriile anaerobe prin consum de oxigen si formarea de produsi intermediari de hidroliza: peptide si aminoacizi.

Pentru punerea in evidenta a bacteriilor de putrefactie intr-un produs alimentar, dupa omogenizarea si antrenarea microbiotei in ser fiziologic steril, acesta se inoculeaza in eprubete cu apa peptonata 1% si dupa 24 ore de activitate se vor pune in evidenta produsii finali ai proteolizei (amoniac, hidrogen sulfurat, indol). Capacitatea bacteriilor de a produce hidroliza gelatinei se pune in evidenta prin teste biochimice.

Tabelul 15

Agenti tipici de putrefactie si de putrezire

Degradarea protidelor sub actiunea enzimelor microbiene are o deosebita importanta atat in natura, deoarece asigura circuitul natural al azotului, cat si in industria alimentara. In industria branzeturilor si in cea a preparatelor din carne hidroliza protidelor este limitata la formarea de aminoacizi, procesul fiind cunoscut sub numele de maturare.

In industria alimentara, procesul de degradare a protidelor la produsi finali nu este dorit deoarece produsul isi modifica calitatile senzoriale si alimentare prin formare de amine toxice.

Pentru prevenirea degradarii avansate a protidelor, in industria alimentara se urmareste crearea si mentinerea unui pH acid sau se folosesc alte procedee prin care se inhiba dezvoltarea bacteriilor de putrefactie: uscare, afumare, tratament termic.