Способ питания клетки дрожжей

Строение и жизнедеятельность дрожжей

Опубликовано: 2015-02-05
Обновлено: 2016-03-28

Автор статей и главный редактор
Лисневич Наталья Николаевна
врач высшей категории, стаж более 30 лет, г. Калуга,
keon@mail.ru

Согласно классификации дрожжи относятся к микроскопическим грибам царства Mycota. Они представляют собой одноклеточные неподвижные микроорганизмы небольшого размера — 10-15 мкм. Несмотря на внешнее сходство дрожжей с крупными видами бактерий, к грибам их относят благодаря своей ультраструктуре клеток и методам размножения.

Рис. 1. Вид дрожжей на чашке Петри.

Место обитания дрожжей

Часто в природных условиях дрожжи встречаются на субстратах, богатых углеводами и сахарами. Поэтому их встречают на поверхности плодов и листьев, ягод и фруктов, на раневых соках, в нектаре цветков, в мертвой растительной массе. Кроме того их находят в почвах (как пример, в подстилке), воде. Дрожжевые организмы родов Candida или Pichia часто выявляют в среде кишечника человека и многих видов животных.

Рис. 2. Место обитания дрожжей.

Состав клеток дрожжей

Во всех дрожжевых клетках содержится около 75% воды, на 50-60% — это связанная внутриклеточная, а остальные 10 — 30% — освобожденная. В сухом веществе клетки в зависимости от возраста и состояния в среднем содержится:

Помимо этого, клетки включают в себя ряд важных компонентов, необходимых для их метаболизма — ферменты, витамины. Энзимы дрожжевых организмов являются катализаторами разных видов брожения и дыхательных процессов.

Рис. 3. Клетки дрожжевых организмов.

Строение клетки дрожжей

Дрожжевые клетки имеют разную форму: эллипсов, овалов, палочек, шаров. Размерность также бывает разная: часто длина составляет 6-12 мкм, а ширина 2-8 мкм. Это зависит от условий их обитания или культивирования, питательных компонентов и факторов внешней среды. Наиболее стабильные по свойствам молодые дрожжи, поэтому характеристику и описание видов проводят именно по ним.

Дрожжевые организмы имеют все стандартные компоненты, присущие эукариотическим клеткам. Однако, помимо этого, обладают уникальными отличительными свойствами грибов и сочетают в себе признаки клеточных структур растений и животных:

• стенки ригидны, как у растений,
• нет хлоропластов и есть гликоген, как у животных.

Рис. 4. Разнообразие видов дрожжей: 1 — пекарские (Saccharomyces cerevisiae); 2 — мечниковия прекраснейшая (Metschnikowia pulcherrima); 3 — кандида земляная (Candida humicola); 4 — родоторула клейкая (Rhodotorula glutinis); 5 — родоторула красная (R. rubra); 6 — родоторула золотистая (R. aurantiaca); 7 — дебариомицес Кантарелли (Debaryomyces cantarelli); 8 — криптококк Лавра (Cryptococcus laurentii); 9 — надсония продолговатая (Nadsonia elongata); 10 — спороболомицес розовый (Sporobolomyces roseus); 11 — спороболомицес хольсатикус (S. holsaticus); 12 — родоспоридиум диобоватум (Rhodosporidium diobovatum).

Клетки содержат мембраны, цитоплазму, а также такие органоиды, как:

• ядро;
• Гольджи аппарат;
• Митохондрии клеток;
• рибосомный аппарат;
• жировые включения, зерна гликогена, а также валютин.

Отдельные виды имеют в составе пигменты. У молодых дрожжей цитоплазма является гомогенной. В процессе роста внутри них появляются вакуоли (содержащие органические и минеральные компоненты). В процессе роста наблюдается образование зернистости, происходит увеличение вакуолей.

Как правило, оболочки включают нескольких слоев с включенными полисахаридами, жирами и азотосодержащими компонентами. Некоторые из видов имеют ослизнелую оболочку, поэтому часто клетки склеены между собой и в жидкостях образовывают хлопья.

Рис. 5. Строение клетки дрожжевых организмов.

Дыхательные процессы дрожжей

Для дыхательных процессов дрожжевым клеткам нужен кислород, но многие их виды (факультативно-анаэробные) могут обходиться временно и без него и получать энергию от процессов брожения (бескислородное дыхание), образуя при этом спирты. В этом заключается одно из главных их отличий от бактерий:

среди дрожжей нет представителей, способных жить абсолютно без кислорода.

Процессы дыхания с кислородом энергетически выгоднее для дрожжей, поэтому при его появлении клетки завершают брожение и переходят на кислородное дыхание, выделяя при этом углекислый газ, что способствует более быстрому росту клеток. Такой эффект носит название Пастера. Иногда, при большом содержании глюкозы наблюдается эффект Кребтри, когда даже если есть кислород, клетки дрожжей ее сбраживают.

Рис. 6. Дыхание дрожжевых организмов.

Чем питаются дрожжи

Многие дрожжи-хемоорганогетеротрофны, и для того, чтобы получить энергию для питания и получения энергии используют органические питательные компоненты.

В бескислородных условиях для своего питания дрожжи предпочитают использовать такие углеводы, как гексоза и синтезированные из нее олигосахариды. Некоторые виды могут усваивать также другие виды углеводов — пентозу, крахмал, инулин. При доступе кислорода они способны к потреблению более широкого круга веществ, в то числе – жировые, углеводородные, спиртовые и другие. Такие сложные виды углеводов, как, например, лигнины и целлюлозы, для усвоения им не доступны. Источниками азота для них, как правило, служат соли аммония и нитраты.

Рис. 7. Дрожжи под микроскопом.

Что синтезируют дрожжи

Чаще всего дрожжи продуцируют при обмене веществ различные виды спиртов – большую часть составляют этиловые, пропиловые, изоамиловые, бутиловые, изобутиловые виды. Кроме того, обнаружено образование летучих жирных кислот, например, выявлен синтез уксусной, пропионовой, масляной, изомасляной, изовалериановой кислот. Помимо этого, при жизнедеятельности они в небольших концентрациях могут выделять в окружающую среду ряд веществ — сивушных масел, ацетоинов, диацетилов, альдегидов, диметилсульфида и прочих. Именно с такими метаболитами часто связывают органолептические свойства получаемых при их использовании продуктов.

Процессы размножения дрожжей

Отличительной особенностью дрожжевых клеток является их возможность вегетативно размножаться, при сравнении с остальными грибами, что происходит как от почковывание спор или, например, зигот клеток (как, например, родов Candida или Pichia). Часть дрожжей могут реализовывать процессы полового размножения, содержащие мицелиальные стадии, когда наблюдается образование зиготы и дальнейшая ее трансформация в «сумку» спорами. Некоторых дрожжи, образующие мицелий (например, родов Endomyces или Galactomyces) способны к распаду на отдельные клетки — артроспоры.

Рис. 8. Размножение дрожжей.

От чего зависит рост дрожжей

Процессы роста дрожжевых организмов зависят от разнообразных факторов внешней среды – температуры, влажности, кислотности, осмотического давления. Большинство дрожжей предпочитают среднюю температуру, среди них практически нет видов-экстремофилов, которые предпочитают чересчур высокую или, напротив, низкую температуру. Известно существование видов, способных переносить неблагоприятные условия окружающей среды. Подавить рост и развитие некоторых дрожжевых организмов можно, используя антибиотики.

Рис. 9. Производство дрожжей.

Чем полезны дрожжи

Часто дрожжи применяются в домашнем хозяйстве или промышленности. Человек уже давно начал их использование для своей жизнедеятельности, например, при приготовлении хлеба и напитков. Сегодня их биологические способности применяются при синтезе полезных веществ — полисахаридов, ферментов, витаминов, органических кислот, каротиноидов.

Рис. 10. Bино — продукт, получаемый за счет деятельности дрожжей.

Применение дрожжей в медицине

Дрожжи используют в биотехнологических процессах при производстве лекарственных веществ — инсулин, интерферон, гетерологичные белки. Медики часто прописывают пивные дрожжи ослабленным людям при аллергических заболеваниях. Применяют их и в косметологических целях для укрепления волос, ногтей, улучшения состояния кожи.

Рис. 11. Дрожжи в косметологии.

Кроме того, среди дрожжей встречаются виды (к примеру, Saccharomycesboulardii), способные поддерживать и восстанавливать микрофлору желудочно-кишечного тракта, а также снимающие симптомы и риск возникновения диарей и снижающие сокращения мускулатуры у пациентов с синдромами раздражённого кишечника.

Существуют ли вредные дрожжи?

Известно, что размножение дрожжей в продуктах питания способно вызывать их порчу (например, происходят процессы вспучивания, изменения запахов и вкусов). Кроме того, по данным специалистов-микологов, среди них бывают патогенные, способные вызвать различные нарушения живых организмов, а также ряд серьезных болезней людей, у которых ослаблен иммунитет.

Среди болезней человека выделяют, например, кандидозы, вызываемые дрожжами Candida, и криптококкозы, возбудителем которого служит Cryptococcusneoformans. Показано, что данные патогенные виды дрожжей часто бывают нормальными обитателями микрофлоры человека и начитают активно размножаться именно при ослаблении, при получении различных травм, при возникновении ожогов, после хирургических вмешательств, при долгом приеме антибиотиков, иногда у маленьких или, напротив, пожилых людей.

Источник

ПИТАНИЕ ДРОЖЖЕЙ: принципы и практика. Современная энциклопедия винодела

Что и когда?

Правильное управление питанием дрожжей включает: основные питательные вещества, необходимые на стадии роста и определение необходимого времени, когда они должны быть заданы.

Стратегии управления подкормкой также должны быть адаптированы к условиям брожения и стрессовым факторам, так как различные технологические приемы виноделия могут оказать значительное влияние на содержание и доступность питательных веществ. Только предоставив дрожжам необходимые питательных вещества в соответствующей дозировке в определенный период жизненного цикла дрожжей, можно производить чистые, качественные вина с минимальными отрицательными тонами брожения (H2S и т. д.)

После глюкозы и фруктозы азот является наиболее важным питательный фактором для дрожжей. Он используется в синтезе нескольких молекул, в основном белков:

— Структурные белки, необходимые для развития новых клеток.
— Ферменты, необходимые для поддержания процессов метаболизма, включая преобразование сахаров в спирт.
— Транспортные белки, расположенные в клеточной мембране, которые регулируют обмен между внешней и внутренней средой дрожж евой клетки.

Без сомнения, доступность азота является одним из ключевых факторов роста и стимуляторов размножения дрожжей и обеспечения эффективного метаболизма брожения.

Saccharomyces cerevisiae могут усваивать только простые формы азота, такие как аммоний, аминокислоты и небольшие пептиды, состоящие из двух-пяти аминокислот.

Дрожжи будут поглощать эти соединения с разной скоростью и в разных количествах по шкале предпочтений: аммоний потребляется быстрее, чем аминокислоты, некоторые аминокислоты полностью усваиваются в то время как другие нет. По этой причине под названием Азот, доступный для дрожжей (YAN), мы имеем в виду те соединения, которые могут эффективно использоваться дрожжами.

Требования к YAN различаются в зависимости от:

• Штамма дрожжей.
• Содержание сахаров в сусле: чем выше содержание сахара, тем больше потребность в YAN.
• Количество биомассы: чем крупнее дрожжи, тем больше необходимо YAN.

Концентрация YAN должна быть разной и часто бывает недостаточный для удовлетворения питательных потребности дрожжей. Когда пред ферментативная фаза длительная, как в случае производства белого вина и холодной мацерации красных, развитие дикой микрофлоры вызывает истощение пищевых факторов, в том числе азота. Многие авторы оценивают минимальное содержание YAN, необходимого для полного сбраживания должно составлять около 150 мг/л, в сусле, содержащем 200 г/л сахаров. Выходя за рамки концепции базовых потребностей в питании для регулярного и полного брожения, чтобы «Оптимизировать сенсорное качество вина», концентрация YAN может достигать значений 350 мг/л и более.

АМИНОКИСЛОТЫ

Аминокислоты попадают в клетку посредством транспортных белков, присутствующих в клеточной мембране, которые требуют энергии для функционирования. Аммоний подавляет многие из этих транспортных систем. Спирт также подавляет усвоение аминокислот. Поглощение аминокислот связано с транспортировкой одного или нескольких протонов (H +). Концентрация H + в растворе связано с его pH: чем выше содержание протонов, тем ниже pH. Внутри дрожжевой клетки значение pH составляет около 6-7, и должно оставаться в этом диапазоне, чтобы гарантировать нормальный метаболизм.

В клеточной мембране протонные насосы активны и удаляют протоны в виноградное сусло для поддержания внутриклеточного баланса pH. В течение процесса брожения, производство спирта делает клеточную мембрану все более проницаемой для H +, что вызывает пассивную диффузию протонов в клетку.

Клетки дрожжей пытаются ограничить внутриклеточное снижение pH, блокируя транспорт аминокислот. По этой причине дрожжи поглощают аминокислоты только на ранних стадиях брожения и только при отсутствии аммония. После транспортировки внутрь клетки они накапливаются в вакуолях, где они резервируются и хранятся. Это позволяет дрожжевым клеткам использовать аминокислоты на поздних стадиях брожения, когда присутствие спирта препятствует их потреблению.

Когда добавлять аминокислоты

Согласно приведенному выше объяснению, добавление аминокислот необходимо проводить сразу после инокуляции, избегая одновременного добавления аммония. Поощрение использования дрожжами аминокислот имеет эффект улучшения аромата вина. Фактически, аминокислоты можно рассматривать как ароматические прекурсоры, строительные блоки вторичных винный ароматов. После удаления из аминовой группы карбониловый скелет аминокислоты может выводится клеткой в виде высшего спирта или сложного эфира, что способствует улучшению аромата вина.

Как обеспечить дрожжи аминокислотами

Питательные вещества для брожения, состоящие из автолизированных дрожжевых клеток — единственный разрешенный источник аминокислот в энологии.

АММОНИЙ

Как и аминокислоты, аммоний усваивается через активную транспортная систему, менее чувствительную к действию спирта, которая останавливается только на поздней стадии ферментация.

Когда добавлять аммоний

Учитывая преимущественное потребление аммония дрожжами, рекомендуется отложить их добавление до конца фазы экспоненциального роста, т.е. около трети спиртового брожения. В этом

фазе аммоний используется для синтеза новых, неповрежденных мембранных белков. Средняя продолжительность жизни транспортных белков составляет около пяти-шести часов. Это было проверено в течении пятьдесят часов полного дефицита азота, транспортные белки перестают работать, а дрожжевые клетки прекращали потребление сахаров.

Добавление аммония во второй половине спиртового брожения может помочь обратить вспять синтез сероводорода. Однако дозировка должна быть умеренным, так как наличие остаточного аммония впоследствии может способствовать росту диких дрожжей такие как Brettanomyces.

Как добавлять аммоний

Аммоний может поставляться в форме диаммония фосфат (DAP) и аммония сульфата, максимальная дозировка 1 г/л, что эквивалентно примерно 200 мг/л YAN. Общая тенденция к ограничению использования сульфата аммония, вызвана предотвращением выделения больших концентраций сульфатов, которые могут преобразовываться в H2S.

Комбинированное использование аминокислот при внесении дрожжей и аммония при прохождении 1/3 спиртового брожения и далее предпочтительнее, по сравнению с использованием одной формы азота в разовой дозе, так как:

— использование большого количества солей аммония может придает вину солоноватый привкус, и тона растворителя.
— большое количество азота при внесении дрожжей, стимулирует чрезмерное размножение дрожжей, следовательно, вызывая увеличение потребности в азоте. Кроме того, высокая температура может вызвать замедление или остановку брожения.

ФАКТОРЫ ВЫЖИВАНИЯ: ДЛИННАЯ ЦЕПЬ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ И СТЕРИНЫ

Клеточная мембрана — это защитный барьер, который позволяет дрожжам расти и выживать в суровых условиях среды вина, которая включает кислый pH и наличие токсичных веществ, таких как диоксид серы и спирт. Мембрана состоит из амфипатического двойного фосфолипидного слоя, где «остатки» длинноцепочечных жирных кислот образуют матрицу, в которой встроены стерины и структурные и транспортные белки. Для регулярного обмена между клеткой и внешней средой, клеточная мембрана должна поддерживать постоянную проницаемость. Накопление спирта, вызывает жесткость мембраны и увеличивает проницаемость мембраны для протонов, что приводит к закислению цитоплазмы, гибели клеток и, следовательно, к остановке брожения. Некоторые исследования показали, что потеря проницаемости мембраны, вызванная спиртом, коррелирует со снижением содержание стеринов и снижением индекса ненасыщенности жирных кислот. Фактически, при анаэробных условиях, дрожжи не могут синтезировать стерины и длинноцепочечные ненасыщенные жирные кислоты. Следовательно, при каждом делении клетки содержание этих веществ снижается, пока не становится ограничивающим фактором для размножения дрожжей и мембранного синтеза.

Этот дефицит стимулирует выработку липидов дрожжами, необходимых для восстановления мембраны, но отсутствие кислорода останавливает механизм синтеза, что приводит к накоплению токсичных промежуточных продуктов, таких как уксусная кислота и жирные кислоты со средней длиной цепи. В заключение, недостаток длинноцепочечных жирных кислот и стеринов — одна из основных причин замедления брожения и повышенного синтеза летучей кислотности.

Когда добавлять длинноцепочечные жирные кислоты и стерины

Длинноцепочечные жирные кислоты (C16 и C18) и стерины становятся необходимыми для выживания дрожжей на втором этапе спиртового брожения. Эта потребность должна быть обеспечена во время размножения, прежде чем их недостача станет ограничивающим фактором. Их можно добавлять при внесении дрожжей или во время первой половины брожения.

Как добавить длинноцепочечные жирные кислоты и стерины

Сухие вещества винограда содержат большое количество длинноцепочечных жирные кислоты и стерины. Сверх осветлённого белое сусло обладает недостатком липидов. Есть два варианта для компенсации:

— Добавить сухие вещества обратно до мутности примерно 100-150 NTU.
— Добавьте дрожжевые оболочки, богатые липидами.

КИСЛОРОД

Дрожжи нуждаются в кислороде для синтеза стеринов и ненасыщенных жирных кислот. Учитывая важность этих липидов для целостности дрожжевой мембраны и для выживания, кислород можно считать питательным веществом.

Когда добавлять кислород

Активные сухие дрожжи изначально содержат большое количество липидов из-за применяемых аэробных условий во время его производства. Добавление кислорода имеет решающее значение на стадии от одной трети до половины потребления сахаров. Кислород мгновенно используется дрожжами для синтеза стеринов и жирных кислот. Количество кислорода, необходимое для метаболизма дрожжей, составляет примерно 10 мг/л. Результат оксигенации — это ускорение второй половины брожения. Этот эффект усиливается еще больше, когда кислород сочетается с добавкой аммония.

В случае самопроизвольного брожения дрожжи будут иметь низкое содержание липидов, так как они не выращиваются в аэробные условия, поэтому еще важнее обратить внимание на потребность в кислороде. Добавление кислорода при посеве не рекомендуется, так как вредные ферменты оксидазы (тирозиназа и лакказа) может использовать его быстрее, чем дрожжи, что приводит к потемнению и окислению сусла.

Как добавлять кислород

Во время брожения кислород может быть добавлен путем открытой переливки, методом delestage, или с использованием оборудования для макрооксигенации.

Открытые переливки не контролируются, и они не являются самый безопасным способом насыщения сусла кислородом. Максимальное количество кислорода, которое может быть растворено в сусле составляет около 6,5 мг/л при 20 ° C. Эта концентрация может достигается только путем прокачки всего объема бродившего сусла. Для этого требуется постоянная наличие оператора для обеспечения перекачки всего объема. Даже в этом случае этот первичная аэрация не всегда достаточна для потребностей дрожжей в кислороде, которая требует многократной перекачки.

В случае применение метода delestage, помимо присутствия оператора, также существует потребность в пустой емкости.

Использование оборудования для макрооксигенации позволяет увеличить точность дозирования, увеличить скорость растворения и не требуют постоянного контроля, так как дозирующие устройства автоматизированы.

ФАКТОРЫ РОСТА: ВИТАМИНЫ И МИКРОЭЛЕМЕНТЫ

Витамины (биотин, тиамин, пантотеновая кислота, инозитол и никотиновая кислота) и микроэлементы (калий, магний, фосфор, сера, цинк, марганец, и др.) используются в качестве кофакторов в ферментативных реакциях. Важность витаминов и микроэлементов очень высока, особенно это заметно в начале брожения и по этой причине их также называют «Факторы роста». Если рассматривать тиамин, было замечено, что добавка в время инокуляции увеличивает количество активных клеток и скорость брожения.

При производстве вина, бывают состояния, вызывающие дефицит тиамина: сильное заражение дикими дрожжами (в частности, Kloeckera apiculata), потребление Botrytis cinerea,длительная фаза перед брожением.

Неправильное использование диоксида серы вызывает дефицит тиамина, так как свободный диоксид серы может связывать тиамин и сделать его недоступным для дрожжей. По этой причине тиамин необходимо добавлять через 3-4 часа после внесения SO2.

Многие исследования также показали, что, хотя сусло обычно богато факторами роста, они часто бывают недоступны для дрожжей, потому что, такие соединения, как полисахариды, полифенолы и белки связывают их. Недостатки любого из этих факторов роста, могут вызвать проблемы брожения.

Когда добавлять витамины и микроэлементы

Витамины и микроэлементы следует добавлять сразу после инокуляции дрожжей. Требование к этим веществам прямо пропорционально содержанию азота в сусле: чем выше YAN, тем большие концентрации дрожжевых клеток, тем больше потребность в витаминах и микроэлементах. Для обеспечения их оптимального поглощения и использования, лучше всего добавлять эти факторы при регидратации дрожжей.

Как добавлять витамины и микроэлементы

Законодательство разрешает только добавление тиамина в максимальной дозировке 0,06 г / гл. Другие витамины и микроэлементы могут быть обеспечены использованием автолизированных дрожжей.

ВЫВОДЫ

Правильная стратегия управления питанием дрожжей учитывает необходимые факторы питания и на каком этапе они должны быть предоставлены. На первых этапах брожения добавка аминокислот стимулирует синтез ароматических соединений и вместе с витаминами и микроэлементами, позволяет адекватный рост популяции, не вызывая повышения температуры брожения.

Максимально быстрое накопление жирных кислот с длинной цепью, стеринов и аминокислот помогают увеличить выносливость и выживаемость дрожжей во второй половине брожения.

При прохождении одной трети брожения, необходим кислород и аммоний, для того чтобы клеточная мембрана дрожжей оставалась функциональной до полного потребления сахаров.

Стратегию питания также следует скорректировать к условиям брожения (высокие сахара, низкий азот и так далее.). Различные методы виноделия могут иметь значительное влияние на содержание и доступность питательных веществ в сусле. Только обеспечив дрожжи подходящей дозировкой питательных веществ в нужное время жизненного цикла дрожжей, можно производить чистые, качественные вина с минимальными отрицательными тонами в аромате.

Источник