Глава 1. Характеристика микроорганизмов дрожжевого производства

§ 1. Характеристика дрожжей-сахаромицетов

Дрожжами обычно называют почкующиеся или делящиеся одноклеточные грибы, по своим размерам являющиеся микроорганизмами.

Впервые микроорганизмы были открыты Левенгуком в середине XVII в.

По современным данным, дрожжи являются достаточно сложными одноклеточными организмами.

Морфология. Дрожжевая клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, протоплазмы, цитоплазматических включений - митохондрий и рибосом, ядра, вакуоли и частиц запасных веществ - волютина, гликогена и жировых капель (рис. 1).

Клеточная стенка является основным структурным компонентом клетки. Толщина стенки равна 1500-2500 нм. В ее состав входят 90% углеводов и 10% белков, липидов и хитина. Функция ее заключается в поддержании формы клетки.

Цитоплазматическая мембрана располагается непосредственно за клеточной стенкой. Толщина ее 75-80 нм, она состоит из белков и липоидов. Функцией мембраны является регуляция обмена веществ клетки.

Цитоплазма (протоплазма) - это полужидкая фаза, состоящая в основном из коллоидов. В ней расположены различные клеточные структуры - рибосомы, митохондрии, ядро, гранулы запасных веществ, вакуоль.

Рибосомы - это мелкие гранулы, в состав которых входит 58% белка и 42% рибонуклеиновой кислоты (РНК), соединенной с белком. В этих гранулах происходит синтез белка. Их называют "фабрикой белка".

Митохондрии - это частицы, имеющие форму гранул или ветвистых нитей. Они состоят из белков, липидов, фосфолипидов, жирных кислот, ферментов и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В этих частицах происходят процессы, связанные с обеспечением клеток энергией. Их называют "энергетическими цехами" клетки.

Ядро - это обособленная от цитоплазмы структура, окруженная собственной оболочкой. Оно состоит в основном из хроматина - вещества, регулирующего обмен веществ клетки, синтез белка, передачу наследственных признаков при помощи образования и деления хромосом.

Вакуоли - это пузырьки, находящиеся в цитоплазме, заполненные клеточным соком. Здесь в растворенном виде находятся соли металлов, углеводы, некоторые простые белки и жиры. Размер вакуолей изменяется в зависимости от условий культивирования дрожжей, а также от возраста клеток.

Рис. 1. Схема поперечного разреза дрожжевой клетки: 1 - цитоплазматическая мембрана: 2 - оболочка; 3 - рибосомы; 4 - протоплазма; 5 - ядре; 6 - митохондрия; 7 - капля жира; 8 - вакуоль; 9 - гранулы метахроматина; 10 - рубец (место, где отпочковалась дочерняя клетка)

В молодых клетках вакуоли незаметны, а в старых или угнетенных клетках они занимают иногда до 80% их полости. В вакуолях откладываются запасные вещества, которые затем используются. К этим веществам относится гликоген - углевод, который накапливается в бродящих клетках при обильном углеводном питании. При ограничении питания и интенсивной аэрации, быстром росте и размножении клеток гликоген исчезает.

В клетках нормально размножающихся хлебопекарных дрожжей включений жирового характера обычно не бывает.

Включение запасного вещества - волютина - встречается в дрожжевых клетках, выращиваемых в среде, богатой фосфатами.

Состав хлебопекарных дрожжей. Он зависит от условий культивирования дрожжей, состава питательной среды и физиологического состояния клетки.

В прессованных дрожжах содержится 67-75% воды и 25-33% сухого вещества. При этом часть воды находится в межклеточных пространствах и называется внеклеточной; остальная вода, находящаяся в цитоплазме дрожжей, называется внутриклеточной. Соотношение клеточной и внутриклеточной влаги в дрожжах может изменяться в зависимости от применяемой расы дрожжей, технологического режима их выращивания и способа ведения технологического процесса. Так, при выращивании дрожжей в концентрированной среде или с добавлением осмотически активных веществ, например хлористого натрия, общее количество влаги в дрожжах снижается в результате уменьшения внутриклеточной воды, а при обработке дрожжей хлористым натрием (при выделении) общее количество влаги в дрожжах снижается вследствие внеклеточной воды.

Состав сухого вещества хлебопекарных дрожжей по элементам следующий (в %): углерод 45-49; водород - 50-70; кислород 30-35; азот 7,1-10,8; фосфор 1,9-5,5; калий 1,4-4,3; магний 0,1-0,7; алюминий 0,002-0,020; сера 0,01-0,05; хлор 0,004-0,100; железо 0,005-0,012; кремний 0,02-0,20.

Кроме того, в сухом веществе дрожжей содержатся (в %): белки и другие азотистые вещества - 50; жиры - 1,6; углеводы - 40,8; зола - 7,6. Однако этот состав непостоянен и может колебаться в широких пределах.

Белки состоят из полипептидов и аминокислот - простых соединений, имеющих с одной стороны своей молекулы аминогруппу NH, а с другой - кислотную группу СООН. Самая простая аминокислота - глицин - имеет следующую формулу:

Соединяясь между собой, аминокислоты образуют молекулы простых белков или протеинов. К ним относятся альбумины, глобулины, гистоны и др. При присоединении к простому белку небелковой группы образуются сложные белки, или протеиды. Если небелковая группа состоит из нуклеиновых кислот, от образовавшийся сложный белок называют нуклеопротеидом, а если к простому белку присоединяются жиры, то сложный белок называют липопротеидом.

Протеиды осуществляют в клетке ряд сложнейших реакций, которые называют обменом веществ, - размножение, питание, дыхание, передачу наследственных признаков, регулируют поступление питательных веществ внутрь клетки и выделение продуктов обмена во внешнюю среду.

Белки весьма чувствительны к воздействию факторов внешней среды. Например, при воздействии либо очень высокой, либо очень низкой температуры происходит свертывание белка или его денатурация, в результате чего клетка отмирает. Такое же явление наблюдается при действии кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, излучения и др.

Углеводы состоят из углерода, кислорода и водорода. Их делят на высшие и низшие. К высшим углеводам относят полисахариды (крахмал; гликоген, клетчатка), а также дисахариды (сахароза, лактоза, мальтоза, галактоза). К низшим углеводам относят моносахариды (глюкоза, фруктоза, арабиноза, ксилоза и др.). При разложении полисахаридов, например крахмала, сначала образуются декстрины, затем дисахариды и моносахариды, а начало синтеза полисахаридов начинается с моносахаров.

Гликоген, или животный крахмал, является запасным веществом в животном организме и дрожжах, как крахмал в растениях. Из углеводов клетка получает энергию.

Жиры - запасные вещества клетки. Они являются сложными эфирами трехатомного спирта (глицерина и органических кислот).

Жировые вещества дрожжей являются важной частью протоплазмы клеток. Молекулы жировых веществ соединяются в крупные частицы (жировые мицеллы) палочковидной формы, распределяющиеся между мицеллами протеинов. Иногда они образуют с последними сложные соединения (липопротеиды) и представляют собой основной структурный материал клетки. Жиры превращаются клеткой по мере необходимости в углеводы и используются затем для получения энергии.

Помимо связанных жировых веществ в протоплазме некоторых дрожжевых грибов имеются и свободные жировые вещества, обособленные в виде капель, хорошо окрашивающихся специальными красками.

Зола дрожжей составляет около 6,5-12,0% общей массы сухого вещества дрожжей. Состав золы колеблется в зависимости от условий их культивирования.

Зола дрожжей состоит примерно наполовину из фосфора: большая часть фосфорной кислоты связана в дрожжах с органическими соединениями.

В золе значительно больше калия, чем натрия, кальция и магния. Содержание серы в хлебопекарных дрожжах составляет 0,17-0,20%.

Минеральные вещества золы дрожжей, растворяясь в межмицеллярной воде, играют большую роль в обмене веществ клетки. Наиболее важное значение имеют катионы натрия, калия, кальция, магния, железа, анионы хлора, фосфора.

Витамины. В дрожжах содержится целый ряд витаминов и витаминоподобных веществ.

Обмен веществ у животных и человека, осуществляемый ферментами, протекает при непременном участии витаминов, тесно связанных с ферментными системами клетки.

Так, витамин B₁ содержится в хлебопекарных дрожжах в количестве около 20 мкг на 1 г СВ. Витамин B₁ регулирует деятельность нервной системы человеческого организма, участвует в обмене белковых веществ и в синтезе жиров, излечивает полиневриты и различные очень тяжелые нервные заболевания, возникающие при длительном употреблении пищи, лишенной должного количества этого витамина.

Витамин В₂ (рибофлавин) содержится в хлебопекарных дрожжах в количестве около 25-30 мкг на 1 г СВ. Отсутствие рибофлавина в пище человека приводит к различным поражениям кожного покрова, к расстройствам зрения.

Витамины B₁ и В₂ достаточно устойчивы к высоким температурам, особенно витамин В₂, который может быть отделен от витамина B₁ путем шестичасового автоклавирования при 120 °С; при этом витамин В₂ остается без изменения, а витамин B₁ разрушается.

Витамин В₃ (пантотеновая кислота) в большом количестве содержится в хлебопекарных дрожжах (15 000-33 000 мг/г СВ). Недостаток его в пищевом рационе животных и птиц приостанавливает нормальный рост их и нарушает нормальную деятельность нервной системы и желез внутренней секреции.

Витамин В₅ (РР - никотинамид) является собственно антипеллагрическим фактором; он содержится в хлебопекарных дрожжах в большом количестве (от 185 до 290 мкг на 1 г СВ).

Витамин В₆ (пиридоксин) содержится в хлебопекарных дрожжах в количестве 1,6-6,5 на 1 г СВ. Он стимулирует рост животных и микроорганизмов.

Витамин D - антирахитический фактор, регулятор фосфорно-кальциевого обмена животных и человека. Провитамин D - эргостерин - имеется в огромном количестве в хлебопекарных дрожжах - 20 000 мкг на 1 г СВ.

Помимо перечисленных витаминов хлебопекарные дрожжи содержат парааминобензойную кислоту в количестве 8-95 мкг на 1 г CB и фолиевую кислоту 19-35 мкг.

Парааминобензойная кислота действует как активный витамин самостоятельно и в виде составной части фолиевой кислоты. Эти кислоты входят в состав ферментов, катализирующих синтез нуклеиновых оснований.

Большое значение для жизнедеятельности дрожжей имеет витамин В_н, или биотин. Сахаромицеты не способны синтезировать биотин из окружающей среды, поэтому для нормального их развития биотин должен входить в состав питательной среды, где культивируются дрожжи как важнейший фактор роста. Содержание этого витамина составляет 0,5-1,8 мкг на 1 г СВ.

Биотин - устойчивое вещество. При термической обработке, доступе кислорода и воздействии разбавленных кислот и щелочей биологическая активность его не снижается. Расщепление биотина происходит лишь при обработке его концентрированными кислотами, щелочами и раствором перекиси водорода.

В дрожжах содержится и другой стимулятор роста дрожжей - мезоинозит. В хлебопекарных дрожжах он содержится в количестве 270 мг на 1 г СВ.

Состав среды может способствовать повышению содержания витаминов в дрожжевых клетках. Можно обогащать хлебопекарные дрожжи витаминами группы В, помещая их в условия брожения на 1-2 ч в среды, содержащие витамины.

Дрожжи способны поглощать витамин В₁, находящийся в бродящей жидкости. В этом случае общее количество витамина B₁ может достигать 2000 мкг на 1 г СВ; если бродящая жидкость содержит не витамин В₁, а его компоненты (пирамидин и тиазол), дрожжи способны синтезировать витамин B1; количество его в дрожжах при этом может достигать 600 мкг на 1 г СВ.

Ферменты. Все процессы, происходящие в живых организмах при обмене веществ, при росте и развитии организмов, совершаются с участием биологических катализаторов белковой природы, ферментов или энзимов. Сущность механизма действия ферментов заключается в том, что субстрат, на который действует фермент, образует с ним непрочный продукт фермент - субстратный комплекс.

Промежуточный продукт разлагается с образованием конечных продуктов и освобождением фермента, который может воздействовать на новую молекулу субстрата.

Считается, что активность фермента зависит не только от таких факторов, как температура и реакция среды (рН), но и от того, в каком виде он находится в клетке. Когда фермент находится в свободном состоянии, он активен, когда же он связан с белками протоплазмы клетки, то активность его уменьшается или теряется совсем.

Синтез ферментов происходит в дрожжевой клетке непрерывно. По способу образования ферменты делят обычно на конститутивные и адаптивные.

Адаптивными, т. е. приспособительными, ферментами называют такие, которые образуются в клетке в результате появления в среде соответствующего субстрата, например сахара. Фермент мальтаза формируется в клетке при наличии в среде сахара мальтозы.

Конститутивные ферменты образуются в клетке организма независимо от состава среды.

Наибольшую активность ферменты проявляют при определенной температуре, кислотности, а также при отсутствии тормозящих их действие веществ. Неустойчивость ферментов объясняется их белковой природой, т. е. они чувствительны, как все белки, к высоким температурам, кислотности, к солям тяжелых металлов, что вызывает их денатурацию.

Специфичность действия ферментов состоит в том, что один фермент ускоряет только определенную реакцию, поэтому в микробных клетках действуют одновременно десятки различных ферментов, не мешая один другому.

Например, фермент, разлагающий сахарозу, не может разлагать белки, жиры или другие вещества.

Отдельные ферменты в живых клетках образуют ферментные системы, состоящие из 10-12 ферментов.

Питание. В настоящее время известно, что питание дрожжевых клеток состоит из двух фаз: первая - прохождение веществ через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану и вторая - сложные биохимические реакции, состоящие из взаимосвязанных процессов ассимиляции и диссимиляции.

Основным барьером, отделяющим внутреннее содержимое клетки от окружающей среды, является цитоплазматическая мембрана, основная функция которой заключается в регулировании прохождения в клетку молекулярных растворов.

По химическому составу дрожжей видно, что для питания им нужны азот, фосфор, калий, магний, усвояемые формы углеводов, микроэлементы и другие вещества.

Источниками углерода для дрожжей являются различные углеводы, моно- и дисахара, а также спирты, альдегиды и органические кислоты. При отсутствии аэрации дрожжи используют обычно лишь сахара.

В условиях аэрации при обогащении среды кислородом, когда усиливается дыхательная функция дрожжей и активируется процесс накопления биомассы, дрожжи усваивают не только сахара, но и спирты (этиловый спирт, глицерин, маннит), альдегиды, а также и органические кислоты (молочная, уксусная, лимонная и яблочная кислоты) и их соли. Доказано, что и аминокислоты являются для дрожжей источником углерода.

Источником азотистого питания для живых клеток являются растворимые соединения азота (органические и неорганические).

Сложные высокомолекулярные протеины не усваиваются дрожжами, так как у сахаромицетов не содержится экзоферментов, протеолизирующих сложные белки среды. Продукты распада белков могут усваиваться дрожжами. Легко усваиваются аминокислоты, а также амиды и аммонийные соединения. Нитраты не усваиваются большинством дрожжевых грибов.

Аммиак является первоисточником для синтеза белковых веществ клетки. Аммиачный азот, отщепленный от аммонийных солей или аминокислот среды и других азотистых соединений, используется дрожжевыми клетками для синтеза собственных аминокислот.

Большую роль в питании дрожжей играют макроэлементы (калий, натрий, фосфор, магний, кальций) и микроэлементы (железо, медь, марганец, кобальт, цинк, молибден, никель, кремний, алюминий, бор).