Биология дрожжей — Biologia cellulare in lievito


FERMENTAZIONE ALCOLICAfermentazione alcoolica

La fermentazione è una «respirazione» che non usa ossigeno e che per questo motivo viene detta anaerobica. In questi esperimenti si metterà in evidenza la produzione di anidride carbonica durante la fermentazione. L’ossidazione del glucosio negli organismi viventi avviene in due fasi principali: la glicolisi e la respirazione. La glicolisi si svolge nel citoplasma delle cellule, la respirazione invece all’interno dei mitocondri. Le cellule di lievito possono crescere sia in presenza di ossigeno che in sua assenza, ma in assenza di ossigeno, le cellule di lievito si limitano ad utilizzare la glicolisi. In questo caso, esse demoliscono la molecola di glucosio in due molecole di acido piruvico che poi convertono in acetaldeide e quest’ultima in alcool etilico. Nel corso di queste reazioni, esse ricavano energia per il proprio metabolismo, senza quindi passare alla respirazione vera e propria. Come abbiamo detto, un prodotto finale di questa reazione è l’alcool etilico, o etanolo. Per questo motivo, tale processo viene spesso chiamato anche fermentazione alcolica. Nella fermentazione del mosto, le cellule di lievito producono dal 12 al 17 % di alcool. Oltre beninteso all’energia, l’altro importante prodotto di questo processo fermentativo è l’anidride carbonica. Infatti il vino è spesso ricco di questo gas e risulta frizzante. Ora passiamo alla parte sperimentale.
1 — Introducete in una beuta o in una bottiglia del lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae) mescolato in acqua e zucchero. Chiudete il recipiente con un palloncino di gomma. Con il passare del tempo, vedrete il palloncino gonfiarsi, mostrando in questo modo la produzione di anidride carbonica.
2 — Se desiderate compiere misure quantitative, che vi permetteranno di valutare l’effetto di parametri quali la temperatura, la composizione del substrato, etc, chiudete la bottiglia con un tappo di gomma attraverso il quale farete passare una pipetta terminante con un capillare come mostrato nella figura 18. Inserite nel capillare una goccia di acqua colorata. Ora, conoscendo il diametro interno del capillare, lo spostamento della goccia di acqua colorata lungo di esso in un dato periodo di tempo, vi darà una precisa indicazione della quantità di CO2 prodotta.
3 — Fate altre prove sostituendo allo zucchero del cavolo tagliato a fettine e bollito, patate, mele, uva schiacciata, verdura, etc. Questi prodotti sono spesso ricchi di amido, un composto affine allo zucchero e che viene ugualmente utilizzato nella fermentazione. Valutate la diversa produttività in anidride carbonica dei diversi substrati. Questa diversa produttività è indicativa del contenuto in zuccheri e in amidi di queste sostanze.
4 — Come distinguere l’anidride carbonica dall’ossigeno, entrambi gas prodotti nei differenti processi di fermentazione, respirazione e di fotosintesi? Se riuscirete a raccogliere quantità sufficienti di questi due gas, potete farli gorgogliare in una soluzione di acqua di calce: mentre l’anidride carbonica rende torbida questa soluzione perchè si forma carbonato di calcio, l’ossigeno non la intorbidisce.
http://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookGlyc.html Cellular Metabolism and Fermentation ***
http://www.accessexcellence.com/LC/SS/ferm_index.html Microbial Fermentations: Changing The Course Of Human History (Information)
Ricerche in Internet: lievito fermentazione alcoolica, yeast fermentation alcohol

 

БИОЛОГИЯ ДРОЖЖЕЙ

Дрожжи были первыми микроорганизмами, которые человек стал использовать для удовлетворения своих потребностей. Основное свойство дрожжей, которое всегда было привлекательным для человека — это способность к образованию довольно больших количеств спирта из сахара. Другая группа процессов, в которых издавна используются дрожжи, также связана с их способностью к спиртовому брожению: образование углекислого газа под действием дрожжей — важнейший этап в приготовлении хлеба, приводящий к заквашиванию теста. Этот процесс также очень древний. Уже к 1200 г. до н. э. в Египте была хорошо известна разница между хлебом из кислого и пресного теста, а также польза от применения вчерашнего теста для заквашивания свежего.
Особенности распространения дрожжей в природе стали интересовать микробиологов начиная с самых первых исследований процессов традиционного виноделия. Первоначально изучение дрожжей ограничивалось теми видами и штаммами, которые вызывали брожение при приготовлении пива и вина. Однако уже в конце XIX в.
М.Бейеринк высказывал мысль о том, что эти культурные виды представляют собой селекционированные формы «диких» дрожжей, широко распространенных в природе.


Термином «дикие дрожжи» обычно обозначают виды и штаммы дрожжей, содержащиеся в винном мусте или в пивном сусле до процесса брожения. В традиционных процессах виноделия и пивоварения именно «дикие дрожжи» начинали процесс брожения, но затем вытеснялись более быстрорастущими штаммами сахаромицетов, также изначально присутствовавшими в сбраживаемом сырье либо содержащимися в добавляемой закваске. При значительном развитии дикие дрожжи могут вызывать нежелательные изменения качества напитка, то есть становиться сорняками брожения. В современных бродильных производствах в сусло обычно добавляют культурные расы дрожжей, а «дикие дрожжи» обычно убивают сульфатированием.В систематике дрожжей термин «дикие дрожжи» используется также для обозначения природных популяций  дрожжей, которые близкородственны культурным расам и, возможно, являются их предковыми формами.

Естественно, возник вопрос об источниках их попадания в бродящие субстраты. Первые исследования, выполненные основателями зимологии Э.Хансеном и А.Клекером, были посвящены именно этой теме: поиску природных источников винных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.  Сахаромицеты были найдены на ягодах винограда, однако, как оказалось, преобладают здесь совсем иные виды дрожжей, не участвующие в последующем сбраживании виноградного сока.

Хлебопечение

Все дрожжи, которые используются в хлебопечении, относятся к виду Saccharomyces cerevisiae и исторически происходят от штаммов пивных дрожжей. Мука обычно почти не содержит свободных сахаров, которые могут сбраживаться дрожжами. В низкосортной муке могут присутствовать ферменты, расщепляющие крахмал, однако в высокоочищенных сортах муки эти ферменты разрушены, и для заквашивания теста в муку приходится добавлять сахар. При брожении происходит интенсивное выделение СО2, которая задерживается в тесте, заставляя его подниматься. Образующийся спирт удаляется в процессе выпечки.

Раньше дрожжи для хлебопечения получали с пивоварен. В конце ХIХ в. развилась целая отрасль по производству прессованных или сухих пекарских дрожжей. Современное производство пекарских дрожжей имеет ряд существенных особенностей по сравнению с бродильной промышленностью. Основная цель такого производства — получение дрожжей, которые с высокой скоростью вырабатывают в тесте углекислый газ за счет брожения в анаэробных условиях. Однако производить их надо при хорошей аэрации, чтобы добиться большего выхода дрожжевой биомассы (эффект Пастера). Полученные дрожжи должны не только обладать высокой бродильной активностью в тесте, но и хорошо храниться, не теряя своих качеств в замороженном или высушенном состоянии. Пекарские дрожжи выращивают в больших сосудах при интенсивном перемешивании и аэрации. При этом питательная среда, основой которой обычно служит меласса, подается постепенно, или порциями. Если добавить сразу много сахара, то метаболизм дрожжей переключится на бродильный (эффект Кребтри) и выход биомассы уменьшится. По завершении роста дрожжи концентрируют центрифугированием и фильтруют. Образующийся на фильтре осадок можно превращать в брикеты прессованных дрожжей. Сухие дрожжи получают высушиванием массы в специальных распылительных сушилках.
Поскольку пекарские дрожжи добавляют в тесто в концентрации около 1% от веса муки, они составляют важный источник микробной биомассы в пище человека. Несмотря на то, что штаммы Saccharomyces cerevisiae не обладают каким-либо токсическим эффектом, они содержат относительно большое количество нуклеиновых кислот, что может вызвать повышение уровня мочевой кислоты в организме человека, приводящее к подагре. Снижение уровня нуклеиновых кислот — важное направление в селекции пищевых дрожжей.

Эффект Пастера и эффект Кребтри

 
Демонстрация совместного эффекта Пастера и эффекта Кребтри в непрерывной хемостатной культуре дрожжей: изменения в концентрации клеток, глюкозы и этанола в зависимости от скорости разбавления. Скорость разбавления отражает скорость поступления в среду глюкозы и приблизительно равна скорости роста дрожжей. При низкой скорости разбавления вся глюкоза утилизируется за счет дыхания и этанол не образуется. При более высокой скорости разбавления в культуре начинает накапливаться этанол, а концентрация клеток уменьшается. При еще более высокой скорости разбавления в ферментере начинает повышаться концентрация глюкозы, так как скорость ее поступления превышает скорость утилизации.

Сахаромицетовые дрожжи могут расти в условиях брожения с очень высокой скоростью (время удвоения около 1.6 ч), однако конечный выход клеток при этом оказывается незначительным. В условиях, благоприятствующих аэробному метаболизму, рост дрожжей протекает с такой же скоростью, но достигается значительно больший прирост биомассы. То, что при данном количестве сахара в аэробных условиях получается больше дрожжевых клеток, чем в анаэробных, впервые заметил Пастер, и поэтому это явление носит название эффекта Пастера. Причина этого эффекта стала ясна после расшифровки биохимических путей брожения и дыхания: при анаэробном превращении одной молекулы глюкозы в ходе гликолизе образуется 4 молекулы АТФ, а при полном ее распаде в цикле Кребса — 36.

Спиртовое брожение у дрожжей происходит не только в анаэробных условиях. Дрожжи, растущие в присутствии кислорода, но при высоком уровне глюкозы в среде, также сбраживают глюкозу в этанол. Подавление аэробного дыхания высоким содержанием глюкозы (точнее, высокой скоростью усвоения глюкозы) называется эффектом Крэбтри, или катаболитной репрессией. Этот эффект не наблюдается при выращивании Saccharomyces cerevisiae на среде с менее легко усвояемым сахаром, таким как галактоза. Эффект Крэбтри обнаружен у дрожжей, а также в раковых и эмбриональных клетках. Детально механизм этого явления остается не выясненным.

Особенности метаболизма

Хотя дрожжи и не так разнообразны по своему метаболизму, как бактерии, различные виды дрожжей могут катаболизировать разные соединения углерода и азота и образовывать различные конечные продукты.

Спиртовое брожение

Наиболее известное свойство многих дрожжей — способность к спиртовому брожению. Многие виды дрожжей могут переключаться с бродильного метаболизма на дыхательный и обратно в зависимости от условий: при наличии кислорода брожение ингибируется и дрожжи начинают дышать, в отсутствие кислорода включается механизм спиртового брожения. Так как кислородное дыхание — энергетически более выгодный процесс, чем брожение, то выход биомассы дрожжей в расчете на единицу используемого субстрата выше при выращивании их в аэробных условиях, чем в анаэробных. Это явление называется эффектом Пастера. Спиртовое брожение может идти не только в анаэробных условиях. Если выращивать дрожжи в присутствии кислорода, но при высоком содержании глюкозы в среде, то в этом случае дрожжи также сбраживают глюкозу. Таким образом, глюкоза подавляет процессы аэробного дыхания. Это явление получило название эффекта Кребтри, или катаболитной репрессии.

Дыхание

При росте в аэробных условиях при низком содержании глюкозы в среде дрожжи получают АТФ за счет процессов дыхания, как это делает большинство аэробных организмов. Полное окисление углеродного субстрата до углекислого газа и воды может происходить у дрожжей в цикле трикарбоновых кислот, и в пентозофосфатном цикле. При функционировании каждого из этих циклов в клетке происходит образование восстановленных пиридиннуклеотидов. Они могут быть использованы либо для процессов восстановления в ходе биосинтеза, либо для получения АТФ путем окислительного фосфорилирования.

Если в анаэробных условиях лишь единичные виды дрожжей могут сбраживать пятиатомные сахара, то в присутствии кислорода пентозы (арабиноза, ксилоза и др.) и метилпентозы (рамноза) могут служить субстратами для очень многих дрожжей. При этом происходит превращение пентоз в соответствующие интермедиаты пентозофосфатного пути.

Многие дрожжи способны также аэробно ассимилировать различные производные сахаров, например сахароспирты (сорбит, рибит, эритрит, маннит, инозит) или гликозиды (арбутин, салицин).

Полисахариды также могут усваиваться дрожжами, способными к синтезу соответствующих гидролаз. Довольно часто встречаются дрожжи, ассимилирующие крахмал. Многие виды дрожжей способны усваивать такие полисахариды, как полифруктозаны (инулин), полигалактоурониды (пектины), гемицеллюлозы (ксиланы).

Цитологические особенности дрожжей в различных условиях роста

Значительные изменения в структурной организации клетки происходят при смене условий роста: при переходе от анаэробного к аэробному культивированию, замене состава среды и концентрации лимитирующих субстратов, при недостатке факторов роста, а также при стрессовых физиологических воздействиях. Особенно заметны ультраструктурные перестройки мембранного аппарата при аэробно-анаэробных сдвигах. В условиях анаэробного брожения митохондрии неузнаваемо меняют свой облик: они объединяются, кристы распрямляются. И наоборот, при аэрации митохондрии активно делятся, число их возрастает, в них хорошо заметны кристы. В анаэробных условиях в клетках накапливается больше гликогена и он представлен крупными гранулами, а иногда образует конгломераты.Существенные структурные перестройки происходят в клетке при ее обезвоживании. Жизнеспособность при этом не теряется и высушенные клетки легко реактивируются. Выход из анабиотического состояния начинается с восстановления и реактивации митохондрий.

Вторичные продукты брожения

В ходе спиртового брожения помимо двух основных продуктов — этанола и углекислоты — образуется множество побочных, или вторичных продуктов.Многие из них являются органолептическими соединениями, и играют большую роль в производстве спиртных вина и пива, так как от их соотношения зависят вкус и аромат напитка. Органолептические соединения можно разделить по крайней мере на пять химических групп: высшие спирты, кислоты, эфиры, альдегиды, серосодержащие вещества. Из спиртных напитков выделены сотни органолептических соединений. Многие из них присутствуют в очень малых количествах и с трудом поддаются идентификации и количественной оценке. Еще сложнее определить вклад этих соединений в конечный вкус продукта, так как для различных веществ характерен разный порог запаха, то есть концентрация, при которой индивидуальное соединение можно уловить при помощи обонятельных рецепторов. Более того, этот порог зависит также от присутствия в напитке других органолептических соединений.
Лимитирующие факторы


Температура
Виды дрожжей существенно различаются по температурным диапазонам роста. У большинства видов дрожжей минимальная температура роста находится в пределах 0-5°С, а максимальная — 30-40°С. Почти все дрожжи могут расти при комнатной температуре 20-25°С. Базидиомицетовые дрожжи в целом характеризуются более низкими максимальными температурами роста, чем аскомицетовые. Однако из этих правил имеется ряд исключений.

Активность воды
Активность воды (aw) в каком-либо растворе определяется как отношение давления пара над раствором к давлению пара над чистой водой. Для чистой воды aw =1. Все без исключения дрожжи способны расти при aw, приближающейся к 1. Большинство видов дрожжей перестает расти при aw = 0.9.
Такую активность воды имеет, например, 50% раствор глюкозы или 14% раствор NaCl*соль. Однако ряд видов дрожжей способен развиваться при концентрации глюкозы в среде до 60% или при концентрации NaCl до 20%.
Такие дрожжи называют ксеротолерантными.
К ним относятся аскомицетовые дрожжи Zygosaccharomyces bailii, Zygosaccharomyces rouxii, Schizosaccharomyces pombe, Debaryomyces hansenii и др.
Эти виды часто встречаются в различных вареньях, джемах, сиропах, сухофруктах и могут вызывать порчу этих продуктов. Дрожжи Debaryomyces hansenii особенно устойчивы к высокой концентрации NaCl в среде и часто встречаются в различных соленьях, на консервированных мясных продуктах, в морской воде.

Кислотность среды

Оптимальные значения рН для роста большинства дрожжевых грибов находятся в области средней кислотности (рН 4-6). Однако отдельные виды способны развиваться в более кислой среде. Например, некоторые штаммы Saccharomyces cerevisiae хорошо растут при рН 2.5-3. К кислотоустойчивым дрожжам относится также обитающий в кишечном тракте животных Cyniclomyces guttulatus, растущий при рН 2. Дрожжи, которые могли бы расти при щелочных значениях рН (8 и более) не известны.Практически все виды дрожжей могут расти в диапазоне рН 4-4.5.
В то же время, в такой слабокислой среде не растет большинство банальных бактерий, которые наиболее обычны в самых разных природных местообитаниях (например, псевдомонады, бациллы, коринеподобные бактерии, актиномицеты). На этом основан простейший метод селективного выделения дрожжей: питательная среда (например, сусло-агар) подкисляется HCl или молочной кислотой до рН 4-4,5. В большинстве случаев на такой среде вырастают только дрожжи и быстрорастущие мицелиальные грибы.

Киллерный эффект у дрожжей

Киллерный эффект был впервые обнаружен у Saccharomyces cerevisiae Макоуром и Беваном в 1963 г. Киллерные дрожжи выделяют токсин, к которому они сами устойчивы, но который летален для других — чувствительных штаммов.
Киллерные дрожжи интенсивно изучаются в последнее время в связи с перспективами их практического использования. В бродильной промышленности, при приготовлении вина, пива, часто происходит заражение бродящего сусла так называемыми «сорняками» брожения, которые изменяют ход брожения в нежелательную сторону. Использование киллерных штаммов Saccharomyces cerevisiae для сбраживания исключает развитие диких дрожжей — киллерный токсин будет попросту подавлять их рост.

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s