Clostridium tyrobutyricum¶

Clostridium tyrobutyricum — это грамположительная, спорообразующая, строго анаэробная палочковидная бактерия рода Clostridium. Относится к группе маслянокислых бактерий, способных сбраживать углеводы и органические кислоты с образованием масляной кислоты, уксусной кислоты, углекислого газа и водорода. В промышленности известна прежде всего как возбудитель позднего вспучивания твёрдых сыров, что приводит к порче продукции и экономическим потерям. В то же время C. tyrobutyricum используется в биотехнологии для производства масляной кислоты и водорода.

¶Таксономия и систематика

Вид Clostridium tyrobutyricum впервые описан в 1930-х годах. Название происходит от греческого tyros (сыр) и butyricum (масляный), что указывает на его роль в сыроделии. Внутри рода Clostridium вид входит в кластер I (группа Clostridium sensu stricto). Ближайшими родственниками являются Clostridium butyricum и Clostridium beijerinckii, с которыми его часто путают при фенотипической идентификации. Генетически C. tyrobutyricum отличается от них по последовательности гена 16S рРНК и составу клеточных жирных кислот.

¶Морфология и физиология

C. tyrobutyricum представляет собой прямые или слегка изогнутые палочки размером 0,6–1,2 × 3,0–7,0 мкм. Клетки располагаются одиночно, парами или короткими цепочками. Споры овальные, субтерминальные, вызывают вздутие клетки. Бактерия не образует капсул, подвижна за счёт перитрихиальных жгутиков.

Является облигатным анаэробом, то есть не переносит присутствия молекулярного кислорода. Оптимальная температура роста — 30–37 °C, pH — 6,0–7,0. Хемоорганотроф, использует широкий спектр углеводов (глюкозу, лактозу, сахарозу, фруктозу, мальтозу) и органических кислот (лактат, пируват). Основные продукты метаболизма — масляная и уксусная кислоты, а также газообразные водород и углекислый газ. В отличие от некоторых других клостридий, C. tyrobutyricum не гидролизует желатин и не продуцирует лецитиназу.

¶Распространение и экология

C. tyrobutyricum широко распространён в природе. Его споры обнаруживаются в почве, силосе, навозе, а также в сыром молоке. Основным источником контаминации молочных продуктов является силос, особенно плохо заквашенный, с высоким содержанием маслянокислых бактерий. Споры бактерии устойчивы к пастеризации (выдерживают нагрев до 80–90 °C в течение нескольких минут) и могут сохраняться в молоке после термической обработки. Попадая в сыр, споры при благоприятных условиях (низкий окислительно-восстановительный потенциал, наличие питательных веществ, температура выше 10 °C) прорастают и начинают размножаться.

¶Роль в сыроделии: позднее вспучивание

¶Механизм порчи

В твёрдых и полутвёрдых сырах (например, швейцарский, гауда, эмменталь, маасдам) C. tyrobutyricum является основной причиной так называемого позднего вспучивания. Этот дефект проявляется через 1–3 месяца после изготовления сыра. Бактерия сбраживает молочную кислоту (лактат), образующуюся при заквашивании, с выделением большого количества газов — водорода и углекислого газа. Газы накапливаются внутри сырной массы, образуя крупные неровные пустоты, трещины и вздутия. Сыр приобретает неприятный прогорклый вкус и запах масляной кислоты, теряет товарный вид и становится непригодным к употреблению.

¶Экономическое значение

Позднее вспучивание наносит значительный ущерб сыродельной промышленности. Потери могут составлять от 5 до 20 % продукции в зависимости от качества сырья и технологии. Борьба с C. tyrobutyricum требует дополнительных затрат на контроль качества молока, использование бактериофагов, нитратов или лизоцима, а также применение специальных заквасок, подавляющих рост клостридий.

¶Методы контроля

Основные меры профилактики включают:

• Контроль кормления скота: исключение из рациона силоса, заражённого спорами клостридий, или использование силоса с низким pH.
• Бактофугирование и микрофильтрация молока: удаление спор центрифугированием или фильтрацией.
• Термическая обработка: применение высокотемпературной пастеризации (ультрапастеризация) или баротермической обработки.
• Добавление ингибиторов: нитрат натрия (в дозах до 200 мг/л молока), лизоцим (фермент, разрушающий клеточные стенки бактерий), низин (антибиотик бактериального происхождения).
• Использование антагонистических культур: молочнокислые бактерии, продуцирующие бактериоцины, подавляющие рост клостридий.

¶Биотехнологическое применение

¶Производство масляной кислоты

Масляная кислота и её эфиры (бутираты) используются в пищевой промышленности (ароматизаторы), фармацевтике (противовоспалительные и противоопухолевые препараты), химической промышленности (растворители, пластификаторы) и в производстве биотоплива. C. tyrobutyricum способен синтезировать масляную кислоту с высоким выходом (до 0,4–0,5 г/г потреблённого субстрата) из дешёвого сырья — молочной сыворотки, мелассы, гидролизатов лигноцеллюлозы. Преимуществом является его устойчивость к высокой концентрации масляной кислоты (до 20–30 г/л), что упрощает процесс ферментации.

¶Получение водорода

C. tyrobutyricum является перспективным продуцентом биоводорода (H₂) в тёмных ферментационных процессах. Выход водорода может достигать 2–3 моль H₂ на моль глюкозы. Бактерия способна использовать в качестве субстрата отходы пищевой промышленности, сточные воды и сельскохозяйственные остатки. Исследования направлены на оптимизацию условий ферментации (pH, температура, тип реактора) и генетическую модификацию штаммов для повышения выхода водорода.

¶Другие продукты

В меньших масштабах C. tyrobutyricum изучается для производства:

• Уксусной кислоты (как побочный продукт, но может быть основным при определённых условиях).
• Бутанола (при совместном культивировании с другими микроорганизмами или генетической модификации).
• Полигидроксиалканоатов (биоразлагаемых полимеров).

¶Генетика и метаболизм

Геном C. tyrobutyricum (штамм DSM 2637) составляет около 3,2 млн пар оснований, содержит порядка 3000 генов. Ключевые метаболические пути включают:

• Гликолиз (Эмбдена — Мейергофа — Парнаса) — расщепление глюкозы до пирувата.
• Пируват-ферредоксин оксидоредуктаза — окисление пирувата до ацетил-КоА и CO₂.
• Маслянокислое брожение — конденсация двух молекул ацетил-КоА через ацетоацетил-КоА с последующим восстановлением до масляной кислоты.
• Водородный метаболизм — восстановление ферредоксина с помощью гидрогеназы, выделяющей H₂.

Бактерия обладает ферментом лактат-дегидрогеназой, что позволяет ей сбраживать лактат — важное свойство для порчи сыров. Генетическая инженерия C. tyrobutyricum развита слабо, но известны методы конъюгативного переноса плазмид и гомологичной рекомбинации.

¶Интересные факты

• C. tyrobutyricum является одним из немногих видов клостридий, который не продуцирует токсины и не вызывает заболеваний у человека или животных (за исключением редких случаев оппортунистических инфекций у иммунокомпрометированных пациентов).
• В природе бактерия участвует в разложении органических веществ в анаэробных условиях, способствуя круговороту углерода.
• Споры C. tyrobutyricum могут сохранять жизнеспособность в сыре до 2–3 лет, что делает его источником длительного риска для производителей.

¶Источники

1. Doyle, M. P., & Buchanan, R. L. (Eds.). (2013). Food Microbiology: Fundamentals and Frontiers (4th ed.). ASM Press.
2. Fox, P. F., Guinee, T. P., Cogan, T. M., & McSweeney, P. L. H. (2017). Fundamentals of Cheese Science (2nd ed.). Springer.
3. Kandler, O., & Weiss, N. (1986). Genus Clostridium. In Bergey's Manual of Systematic Bacteriology (Vol. 2, pp. 1141–1200). Williams & Wilkins.
4. Kosowski, K., & Białecka-Florjańczyk, E. (2019). Clostridium tyrobutyricum — a promising microorganism for biotechnological production of butyric acid and hydrogen. Biotechnology Advances, 37(6), 107–125.
5. McSweeney, P. L. H., & Fox, P. F. (Eds.). (2009). Advanced Dairy Chemistry (Vol. 3: Lactose, Water, Salts and Minor Constituents). Springer.
6. Stackebrandt, E., & Rainey, F. A. (1997). Phylogenetic relationships of the genus Clostridium. In The Clostridia: Molecular Biology and Pathogenesis (pp. 3–19). Academic Press.