§ 2. Условия внешней среды, влияющие на синтез биомассы дрожжей

На жизнедеятельность дрожжевых клеток значительно влияют условия окружающей их среды: температура, рН среды, концентрация сухих веществ, снабжение культуральной среды растворенным кислородом (аэрация), а также некоторые химические вещества.

Перечисленные выше факторы могут оказывать на клетку либо стимулирующее, либо угнетающее действие. По воздействию на микроорганизмы различают три значения факторов: минимальное - наименьшее значение любого фактора, ниже которого жизнедеятельность микроорганизма невозможна; оптимальное - наиболее благоприятные условия жизнедеятельности микроорганизма; максимальное - наиболее высокое значение факторов, выше которого жизнь организма невозможна.

Все процессы жизнедеятельности микроорганизмов протекают наиболее интенсивно при оптимальных условиях всех факторов, влияющих на жизнедеятельность данного микроорганизма. Если же хотя бы один фактор будет находиться ниже минимума, организм не сможет развиваться нормально даже при оптимальном значении всех остальных факторов среды.

Температура. Температура определяет интенсивность протекания обмена веществ в клетках. О влиянии ее в основном отмечают по накоплению биомассы в процессе культивирования дрожжей.

Оптимальная температура жизнедеятельности хлебопекарных дрожжей находится в пределах 21-34 °С и зависит от расы дрожжей. Например, оптимум размножения расы Нp-1 соответствует 23-27 °С, рас № 616, 722, 14-30-32 °С, расы № 739 - 34 °С. В настоящее время получены новые расы, оптимум жизнедеятельности которых составляет 38 °С. Сдвиг температуры в сторону от оптимальных величин тормозит размножение Дрожжевых клеток, что отрицательно влияет на съем биомассы с дрожжерастильного аппарата и выход дрожжей.

Повышение температуры от оптимального значения для определенной расы дрожжей приводит в основном к ухудшению качества готовой продукции - ферментативной активности, осмочувствительности и стойкости. Понижение температуры приводит к снижению активности размножения дрожжевых клеток.

Активная кислотность (рН) среды. На жизнедеятельность дрожжевых клеток значительно влияет рН среды. От величины рН зависит скорость поступления питательных веществ в клетку, активность ферментов, участвующих в синтезе белка, образование витаминов, а следовательно, и скорость роста дрожжевых клеток. Высокая скорость роста хлебопекарных дрожжей наблюдается при рН культуральной среды 4,5-5,5, что принято считать оптимальными значениями этого показателя. При загрузке аппарата и в первые часы процесса рекомендуется поддерживать рН на уровне 4,5-4,6, а к концу процесса постепенно повышать до 5,0-5,5, что обеспечивает получение дрожжей с хорошей подъемной силой и высоким выходом.

В процессе роста дрожжи изменяют реакцию среды, потребляя из нее питательные вещества и выделяя продукты обмена веществ.

Уменьшение или повышение рН культуральной среды по сравнению с оптимальными значениями этого показателя сначала снижает, а затем приостанавливает рост дрожжевых клеток. Это приводит к снижению экономических показателей процесса: понижается съем биомассы с дрожжерастильного аппарата и выход продукта. Например, для расы № 14 критической величиной рН является рН 3,0-3,5 и рН более 6,0.

Сильное подкисление среды может быть при активном росте дрожжевых клеток, когда весь аммонийный азот среды использован дрожжевыми клетками на синтез биомассы. В этом случае в качестве источника азота вместо сульфата аммония в дрожжерастильный аппарат следует подавать аммиачную воду в равноценном по азоту количестве, что позволяет поддерживать рН культуральной среды на уровне оптимальной величины.

Подщелачивание среды во время процесса обычно наблюдается при недостатке питательных веществ в культуральной среде. При этом дрожжевые клетки для поддержания жизнедеятельности используют запасные вещества клетки, что приводит к протеолизу (распаду) белковых веществ клетки. Образующийся при этом свободный аммиак сильно подщелачивает среду. При этом создаются условия, благоприятные для размножения посторонней микрофлоры, что ухудшает качество дрожжей.

Таким образом, сдвиг рН культуральной среды от оптимального значения снижает производительность дрожжерастильного аппарата и выход продукта, а также ухудшает качество дрожжей.

Концентрация сухих веществ. Активность размножения дрожжей при прочих равных условиях (например, аэрация, температура и др.) зависит от усвоения питательных веществ клеткой, что, в свою очередь, обусловлено осмотическим давлением среды и концентрацией клеточного сока дрожжевой клетки. Осмотическое давление клеток сахаромицетов составляет 0,8-0,12 МПа. Оно повышается при выращивании дрожжей в более концентрированных средах. Осмотическое же давление культуральной среды увеличивается с ростом концентрации сухих веществ в ней, например сахара, или осмотически активных веществ (хлорида натрия и др.). Концентрация сахара в культуральной среде характеризуется показателем - кратность разбавления (КР) (см. главу 3, § 2).

Аэрация культуральной среды. Для поддержания жизнедеятельности любой микроорганизм нуждается в постоянном и непрерывном притоке энергии, которую дрожжевая клетка получает в результате процессов брожения и дыхания. Эти процессы взаимосвязаны. Ферментативные реакции в дрожжевой клетке можно направить либо в сторону брожения (образование спирта), либо в сторону дыхания (накопление биомассы). Направленность биохимического процесса обусловлена количеством кислорода, растворенного в культуральной среде, что зависит от количества воздуха, подаваемого в дрожжерастильный аппарат, т. е. аэрации культуральной среды.

В условиях интенсивной аэрации ферментативный процесс в клетке направлен на накопление биомассы. При недостатке растворенного в среде кислорода одновременно с процессом дыхания протекает процесс брожения. При этом наряду с дрожжами в среде накапливается спирт. Чем меньше в среде растворенного кислорода, тем меньше накапливается дрожжей и больше спирта, тем менее эффективным становится процесс - снижается выход дрожжей.

Задача работников дрожжевого производства состоит в том, чтобы процесс выращивания товарных дрожжей направить на синтез биомассы и исключить образование спирта.

Химические вещества. Химические вещества различно влияют на дрожжевые клетки, что зависит от концентрации их в культуральной среде. В малых дозах они могут стимулировать жизнедеятельность клеток, а при постепенном увеличении концентрации их в среде сначала приостанавливают (ингибируют) и затем могут совсем прекратить развитие дрожжевых клеток.

В культуральную среду химические вещества могут попасть вместе с сырьем (мелассой, сульфатом аммония, диаммонийфосфатом и др.), серной кислотой или при плохой промывке дрожжерастильных аппаратов после дезинфекции. К ним относятся сульфиды и сульфиты, фтор, мышьяк, медь, имидосульфонат калия, гидроксиметилфурфурол, сернистый ангидрид, летучие кислоты, нитриты, образуемые бактериями, окислы азота, роданистые соединения, фенол, пирокатехин, некоторые неорганические кислоты и др.

Перечисленные выше химические вещества не всегда присутствуют в сырье, применяемом в дрожжевом производстве.

Рост дрожжей задерживается при концентрации в среде более 0,1% гидроксиметилфурфурола, 0,0025% сернистого ангидрида, 0,002% фторида натрия, 0,0005% натритов, 0,001% формалина, более 0,1% карамелей и органических кислот: щавелевой - 0,001%, муравьиной - 0,0085%, уксусной - 0,02%, масляной - 0,0005%. Клетки погибают при содержании в среде 0,0005% мышьяка, 0,005% меди, 0,000001% серебра и более 0,004% нитритов. Бактерицидное действие этих металлов помимо концентрации зависит также от температуры, рН и состава среды, концентрации дрожжей в дрожжерастильном аппарате.

Не снижают активности дрожжевых клеток биомицин и пенициллин при концентрации 50-100 мкг на 100 мл среды, даже при воздействии их в течение суток, однако большинство бактерий при этом погибает.