§ 3. Факторы, влияющие на скорость роста дрожжей

При наличии в среде питательных веществ и растворенного кислорода за определенный промежуток времени может накапливаться различное количество дрожжей при одинаковой величине засева. Интенсивность накопления биомассы характеризуется скоростью роста и размножения дрожжевых клеток. Скорость роста указывает на увеличение массы клеток, а скорость размножения - на частоту их почкования.

Для оценки скорости роста и размножения клеток в дрожжевом производстве обычно пользуются относительной (удельной) скоростью роста, которая представляет собой прирост биомассы за единицу времени. Учитывая, что в благоприятных условиях дрожжевые клетки размножаются по закону логарифмического роста, удельную скорость μ определяют логарифмическим отношением количества биомассы m₁ полученной за время t, к количеству дрожжей m₀, засеянных в дрожжерастильный аппарат:

(1)

Удельная скорость роста является одним из наиболее важных показателей, по которому оценивают технологический процесс.

Для оценки размножения клеток пользуются понятием продолжительности генерации - время, в течение которого обособившаяся молодая клетка вырастает до величины, свойственной данной расе, и начинает почковаться. Продолжительность генерации определяют по формуле

(2)

Продолжительность генерации характеризует продуктивность процесса, так как чем быстрее молодая клетка вырастет и начнет почковаться, тем быстрее можно получить ожидаемое количество дрожжей. Из формулы видно, что с увеличением скорости роста дрожжей продолжительность генерации сокращается.

При расчетах технологических режимов пользуются коэффициентом часового прироста биомассы H, который показывает, во сколько раз биомасса увеличилась в течение 1 ч. Если в дрожжерастильный аппарат было засеяно дрожжей m₀ и через час накопилось m₁ биомассы, через два часа m₂, через три часа m₃ и т. д., то коэффициент часового прироста биомассы составит

Зная коэффициент часового прироста дрожжей и количество биомассы, находящейся в дрожжерастильном аппарате в данный момент, можно определить ожидаемое количество биомассы в последующий час культивирования дрожжей:

Пример. В дрожжерастильный аппарат засеяли m₀=1480 кг дрожжей, через 1 ч получили m₁ = 1720 кг дрожжей. При этом

При постоянной величине H = 1,162 на 2-м часу культивирования ожидаемое количество биомассы составит m₂= 1720-1,162 = 1998,6 кг; на 3-м часу m₃= 1998,6-1,162 = 2322,4 кг и т. д., т. е. можно рассчитать количество дрожжей, которое получится в последующие часы культивирования дрожжей.

На растворах мелассы дрожжевые клетки растут и размножаются со скоростью 0,05-0,37 ч^-1, что зависит от наличия в культуральной среде необходимых для жизнедеятельности клетки компонентов и в требуемых количествах, обеспеченности клеток кислородом, расовых особенностей и качества маточных дрожжей, а также присутствия в культуральной среде активаторов или ингибиторов роста.

Параметры процесса выращивания дрожжей. К основным параметрам технологического процесса выращивания хлебопекарных дрожжей относятся температура, рН, формольное число (ф. ч.). Для получения максимальной скорости роста дрожжей при обеспеченности клеток всеми необходимыми компонентами, кислородом и в требуемом для клеток количестве необходимо соблюдать оптимальные величины температуры, рН, ф. ч. Отклонения их в ту или иную сторону от оптимальной величины тормозят скорость роста дрожжей, что отрицательно влияет на технико-экономические показатели процесса и качество готового продукта.

Понижение температуры приводит в основном к снижению скорости роста дрожжей вследствие уменьшения активности ферментных систем, направленных на синтез биомассы. В результате снижаются съем дрожжей с аппарата и выход продукта. Даже незначительное (на 2-4°С) повышение температуры от оптимальной величины, особенно в первые часы культивирования дрожжей, резко тормозит скорость их роста, которая может снизиться в два раза по сравнению с получением дрожжей при оптимальной величине температуры. Выход дрожжей при этом снижается на 7-10%. Более значительное повышение температуры (на 8°С) может понизить выход дрожжей на 18-20%. При этом наблюдается отмирание дрожжевых клеток. Количество мертвых и ослабленных клеток может составить 8%.

При прочих равных условиях на скорость роста дрожжей значительно влияет величина рН культуральной среды. Высокая скорость роста дрожжей наблюдается при рН 4,5-5,5. При подкислении среды до рН 4,0 скорость роста хлебопекарных дрожжей понижается, а при рН 3,0-3,5 размножение клеток приостанавливается, дрожжи приобретают темный цвет. Выращивание дрожжей при рН 5,5 в начальные часы культивирования приводит к снижению скорости роста дрожжей. В первые часы культивирования наблюдается даже некоторое понижение биомассы, т. е. потеря массы. Подобное явление наблюдал и английский исследователь Д. Уайт. Выход дрожжей при этом понижается в среднем на 10%. Более сильное подщелачивание среды (рН более 6,0) приводит к еще большей потере скорости роста и даже может приостановить размножение дрожжевых клеток при рН 8,0.

Одновременное повышение температуры и подщелачивание среды более сильно снижают скорость роста по сравнению с оптимальными показателями процесса. Выход дрожжей при этом понижается на 19,8%.

Формольное число указывает на наличие в среде усвояемого азота, необходимого для формирования белка клетки. Таким образом, недостаток азота в среде тормозит синтез биомассы; скорость роста дрожжей при этом понижается. Для обеспечения высокой скорости роста дрожжей надо соблюдать оптимальную величину ф. ч. В период интенсивного роста дрожжей ф. ч. составляет: на стадии получения засевных дрожжей 1,0-1,5 мл 0,1 н. NaOH, а товарных 0,7-0,8 мл 0,1 н. NaOH. В случае снижения его в период интенсивного роста до 0,4-0,5 мл следует срочно вводить в культуральную среду сульфат аммония или аммиачную воду в зависимости от рН среды. В конце процесса ф. ч. понижается до 0,2-0,3 мл, а после дозревания должно составлять 0,1-0,2 мл 0,1 н. NaOH.

Скорость роста дрожжей зависит также от величины засеваемого в дрожжерастильный аппарат материала: с увеличением засева скорость роста дрожжей понижается. Однако выход продукта при этом увеличивается в результате сокращения периода лагфазы.

Аэрация культуральной среды. В процессе роста дрожжевые клетки непрерывно потребляют растворенный в культуральной среде кислород, который необходим им для синтеза биомассы. В связи с этим снабжение среды кислородом значительно влияет на скорость роста дрожжей и накопление биомассы. Недостаток кислорода в среде приводит к снижению скорости роста дрожжей, так как наряду с процессом дыхания протекает процесс брожения и часть углеродсодержащего вещества расходуется не на накопление биомассы, а на образование спирта. Так, при содержании кислорода в культуральной среде ниже 3-4 мг/л скорость роста дрожжей падает, а при понижении до 1 мг/л размножение дрожжей почти прекращается. Чрезмерная аэрация не дает положительных результатов. Следует обеспечить клетку таким количеством кислорода, которое необходимо для построения биомассы. Потребность клеток в кислороде зависит от возраста клеток, условий формирования их дыхательной системы и энергетических материалов.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности клеток аэрация среды должна быть непрерывной. Прекращение подачи кислорода даже на 15-20 мин резко понижает скорость роста дрожжей, так как ферментные системы клетки перестраиваются с дыхания на брожение. Съем дрожжей с аппарата снижается, так как переориентирование ферментных систем на синтез биомассы требует много времени.

Обеспечение среды кислородом зависит от конструкции воздухораспределительной системы и дрожжерастильного аппарата. Если воздухораспределительная система не обеспечивает потребность дрожжей в кислороде, т. е. происходит лимитирование процесса по кислороду, то скорость роста понижается.

Расход воздуха для трубчатых воздухораспределительных систем В (в м³/ч) рассчитывают по формуле

где ΔД - прирост дрожжей, кг/ч; h - расчетная высота слоя аэрируемой жидкости в аппарате, м; 52,3 - коэффициент, учитывающий количество кислорода, необходимого для прироста 1 кг дрожжей, количество полезно используемого кислорода на 1 м³ воздуха при трубчатой системе аэрации и высоте слоя аэрируемой среды 4 м (при использовании аэрационных систем с улучшенными массообменными характеристиками конструкции ВНИИХПа этот коэффициент принимают равным 25,0).

Таким образом, для получения высокого выхода продукта процесс выращивания дрожжей следует рассчитывать с учетом аэрационных систем, установленных на предприятии.

Режимы подачи питательных веществ и воды. На формирование дрожжевых клеток значительно влияет не только общая обеспеченность процесса необходимыми для роста веществами, но и распределение их во время культивирования.

Для получения высоких скоростей роста рекомендовано соли, содержащие калий, магний и микроэлементы, а также ростовые вещества вносить при загрузке дрожжерастильного аппарата, а углеводное, азотное и фосфорное питание вводить постепенно (притоком). Причем необходимо соблюдать равновесие между размножением дрожжей (их приростом) и подачей углеводного, азотного и фосфорного питания, а также аэрацией культуральной среды. Отсутствие сбалансированного питания нарушает формирование ферментных систем клетки, что снижает скорость роста дрожжей и их качество.

В настоящее время известно большое разнообразие режимов подачи питательных веществ в дрожжерастильные аппараты. При этом используют различные системы автоматизации (автоматического дозирования). На отечественных предприятиях применяют системы программного типа, в основу которых положен жесткий режим подачи питательных веществ, который не может обеспечить 100%-ного выхода биомассы, так как даже самая совершенная программа не в состоянии учесть многообразие факторов, влияющих на размножение дрожжевых клеток.

Более перспективной является система автоматического дозирования следящего типа - по одному из наиболее важных для роста дрожжей параметров, например содержанию спирта в отходящем воздухе. Эта система применяется на предприятиях ПНР, ГДР и др.

Наиболее перспективной системой автоматического дозирования является подача питательных веществ по кислороду. Эта система находится в стадии разработки.

Хорошие результаты по выходу дрожжей и скорости их роста достигнуты при подаче углеводного питания по приросту биомассы. При скорости роста 0,333-0,288 ч-1 выход дрожжей составил 88,5-90,0%. Это самая высокая скорость роста дрожжей в товарном процессе, достигнутая на предприятии. Наиболее экономичными являются те процессы, в которых углеводное питание подают в соответствии с потребностью дрожжевых клеток - по кислороду и приросту биомассы.

Помимо режимов подачи основного питания на скорость роста дрожжей влияет режим подачи воды при выращивании товарных дрожжей. На отечественных предприятиях технологическую воду подают либо всю при загрузке аппарата, либо притоком. При прочих равных условиях скорость роста дрожжей выше при режиме подачи воды притоком, так как этот режим обеспечивает соблюдение оптимальной температуры культуральной среды - отводит избыточное тепло, выделяемое в процессе роста дрожжей, особенно при подаче охлажденной воды. Например, при подаче воды притоком скорость роста дрожжей составляет 0,186 ч^-1, а при подаче ее при загрузке аппарата - 0,158 ч^-1.

Химические вещества. По своему действию на дрожжевые клетки химические вещества можно разделить на две группы: ингибирующие и стимулирующие рост и размножение дрожжевых клеток. К наиболее часто встречающимся в дрожжевом производстве веществам, тормозящим скорость роста, можно отнести сульфиды и сульфиты, фтор, мышьяк, сернистый ангидрид, летучие кислоты и нитриты. При переработке такого сырья снижается скорость роста, выход и ухудшается качество дрожжей.

На скорость роста дрожжей также отрицательно влияют дезинфицирующие вещества, применяемые в дрожжевом производстве (формалин, катапин и др.). Даже небольшие концентрации этих веществ не только снижают скорость роста клеток, но и приводят к их гибели. Вся технологическая аппаратура и коммуникации должны быть тщательно отмыты после их дезинфекции.

К веществам, активирующим рост и размножение дрожжей и повышающим скорость их роста, относятся кукурузный экстракт, дестиобиотин, карбоксилин. В последние годы изысканы природные соединения (сильвинит и каинит), которые повышают скорость роста дрожжей. При этом выход продукта увеличивается до 5% с введением в культуральную среду сильвинита и до 12% - каинита.

Расовые особенности и качество маточных дрожжей. К расам хлебопекарных дрожжей предъявляются большие требования. Они должны иметь как высокую способность накапливать биомассу, так и хорошую ферментативную активность. Одним из основных показателей, по которым оценивают качество маточных дрожжей (чистую и естественно-чистую культуру), является способность их активно расти и размножаться, т. е. генеративная активность. Определяют ее по удельной скорости роста дрожжей.

Генеративная активность является расовым признаком, т. е. в одинаковых условиях каждая раса обеспечивает определенную скорость роста в товарном процессе. Например, раса № 14 растет со скоростью 0,160 ч^-1, раса № 722-0,180 ч^-1, шведская раса Нр-1-0,085 ч^-1, а итальянские расы - 0,098 ч^-1 и 0,116 ч^-1. Однако активность дрожжей к росту и размножению отдельной конкретной расы зависит от условий культивирования и состава питательной среды (см. главу 7, § 1).

Таким образом, скорость роста дрожжей зависит от используемой в процессе расы дрожжей и качества маточных дрожжей - их генеративной активности. В связи с этим изыскиваются новые высокопродуктивные расы и штаммы дрожжей и разрабатываются способы их культивирования, обеспечивающие высокий съем биомассы и выход продукта.

Для получения маточных дрожжей с высокой генеративной активностью их следует выращивать на среде, богатой ростовыми и зольными элементами (калием, магнием, азотом, фосфором и т. д.).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие стадии развития дрожжевых клеток Вы знаете?

2. В чем заключается сущность механизма синтеза биомассы дрожжей?

3. Что такое скорость роста дрожжей и как ее определяют?

4. Каково влияние условий внешней среды на синтез дрожжевых клеток?

5. Какие факторы влияют на скорость роста дрожжей?

6. Расскажите о значении аэрации в дрожжевом производстве.

7. Как влияют химические вещества на размножение дрожжей?

8. Каково влияние расовых особенностей дрожжей на скорость их роста?