Пивоваріння (рис. 7.8)
Saccharomyces cerevisiae широко використовується в пивоварінні (разом з деякими іншими видами: Saccharomyces carlsbergensis та Brettanomyces sp.) та відомий як «дріжджі верхнього бродіння», через те, що звичайно спливає на поверхню ємності протягом бродіння.
Пиво, при виготовлення якого використовувалися дріжджі верхнього бродіння, називається елем, тому ці дріжджі інколи називаються «елевими». Ці дріжджі не в змозі споживати деякі цукри, в результаті чого пиво стає більш солодким та «фруктовим».
Рисунок 7.8 – Ячмінний солод / Пиво
Спиртове бродіння було відомо людству з давнини і протягом тисячоліть застосовувалося для отримання алкогольних напоїв. Проте сутність цього процесу стала відома порівняно недавно. Тільки в XV-XVI ст. з'являються роботи, в яких порушуються питання про зв'язок між осадом, що утворюється під час бродіння, і продуктом, що виходять в результаті бродіння. Але так як осад не можна було розглянути простим оком, то неможливо було і пояснити склад, сутність оcадів в бродячих рідинах. Тільки винахід мікроскопа голландцем Антонієм Левенгуком наприкінці XVIII в. дозволило проникнути в новий, невідомий людині світ.
Понад 100 років тому Каньяр-Латур, Шванн і Кютцінг встановили, що бродіння є результатом фізіологічної діяльності живих організмів - дріжджів, що накопичуються в осаді під час бродіння. Ця смілива думка про зв'язок процесів бродіння з життєдіяльністю живих істот була нова і несподівана. Протягом багатьох років ця теорія не мала визнання, оскільки в той час зізнавалася тільки хімічна теорія бродіння Лібиха.
У 1857 р Луї Пастер, основоположник сучасної мікробіології, опублікував роботу, в якій доводив, що спиртове бродіння може протікати тільки в присутності живих дріжджів і є результатом особливої форми життєдіяльності без доступу повітря. Між Лібіхом і Пастером зав'язалася запекла полеміка. Досліди Пастера були настільки доказові і точні, що хімічна теорія бродіння відійшла в минуле.
У 1866 р Пастер в роботі "Дослідження вина" довів, що вина псуються в результаті процесів, що викликаються мікроорганізмами. Для боротьби з "хворобами" вин він запропонував прогрівати їх до 55-60 ° С після того, як вино розлито в пляшки. Цей прийом отримав назву "пастеризація".
Форми бродінь, відкриті К. Нейбергом
Якщо до дріжджів, які зброджують глюкозу, додати бісульфіт (він є нетоксичним для дріжджів), то з’явиться новий продукт – гліцерин, і одночасно знизиться вихід етанолу та СО2. Ацетальдегід зв’язується бісульфітом з утворенням ацетальдегід сульфіту і тому не може бути акцептором водню – етанол не утворюється. Замість ацетальдегіду таким акцептором водню є діоксиацетонфосфат. Він відновлюється до гліцерин-3-фосфату і дефосфорилюється до гліцерину. Бродіння за присутності бісульфіту використовують у промисловості для одержання гліцерину. Це друга форма бродіння за Нейбергом.
Якщо в процесі бродіння у розчин додати бікарбонат натрію або двозаміщений фосфорнокислий натрій, також утворюється гліцерин, оскільки ацетальдегід перетворюється в результаті реакції дисмутації на етанол та оцтову кислоту і тому не може бути акцептором водню. Це третя форма бродіння за Нейбергом. Першою формою бродіння є нормальне дріжджове бродіння.
Ефект Пастера
Зброджування дріжджами глюкози ‒ процес анаеробний, хоча дріжджі є факультативно аеробними мікроорганізмами. В анаеробних умовах бродіння відбувається дуже інтенсивно, але спостерігається слабкий ріст. Під час аерації бродіння послаблюється, починається дихання і активний ріст. У деяких дріжджів бродіння можна майже пригнітити посиленою аерацією (ефект Пастера). Л. Пастер відкрив цей ефект понад сто років тому. Він властивий не тільки дріжджам, а і усім факультативно аеробним клітинам, у тому числі клітинам тканин вищих тварин.
7.3 Фармацевтика і дріжджі
У фармацевтиці препарати дріжджів (сухих або рідких екстрактів) застосовуються як вітамінні та інші біологічно активні добавки, головним чином завдяки високому вмісту в них вітамінів групи B (рис. 7.9). Промислово використовують види і штами, відомі як «сверхсинтетики» отримання вітамінів: рибофлавіну (вітамін B2) еремотеціум Ешбі (Eremothecium ashbyi) ‒ паразит бавовнику. Еремотеціум легко піддається вирощуванню в глибинній культурі на вуглеводних поживних середовищах, збагачених органічним азотом і вітамінами при температурі 28 – 30° C. Вихід рибофлавіну від 1 до 6 грамів на 1 літр середовища.
Рисунок 7.9 – Вітаміни групи B.
Інші біохімікати
Різні дріжджі застосовують в лабораторії для проведення стерео селективних біохімічних синтезів. Так, якщо в рідке живильне середовище з пекарними дріжджами додати ацетооцтовий ефір, то після бродіння з суміші можна виділити чистий (+) (S) – енантіомер ефіру β – оксимасляної кислоти, який потім використовують для синтезу інших оптично активних з’єднань.
Інший спосіб полягає в тому, що використовують як живильний субстрат синтетичну рацемічну суміш, при цьому дріжджі споживають лише один енантіомер, а другою залишається не зміненим. Обидва методи мають той недолік, що в результаті синтезу (або вжитки) виявляється доступним лише один з двох енантіомерів.
Рисунок 7.10 Схема застосування дріжджів
Ліпоміцети (рід Lipomyces) перспективні як продуценти ліпідів і амілаз. Ярровія ліполітична (Yarrowia lipolytica) може застосовуватися для різних біотехнологічних синтезовна основі нафтопродуктів, оскільки цей вигляд добре розвивається на нормальних алканах, що виділяються з нафти.
Аналітичні тест – об’єкти
Види і штами дріжджів розрізняються як по своїх потребах у вітамінах, так і по здатності самостійно синтезувати їх. Ці особливості лежать в основі використання штамів дріжджів з абсолютною потребою в одному або двох вітамінах як біоіндикатори.
Існують методики якісного і кількісного визначення за допомогою дріжджових тесту – об’єктів вітамінів групи B.
ВИСНОВКИ
Систематика: дріжджі ‒ одноклітинні еукаріотичні мікроорганізми. Вони належать до класу Hemiascomycetes (класу сумчастих грибів), порядку Endomycetales. Належать до аскоміцетів та базидіоміцетів та домінують серед грибів у водних середовищах (1500 видів).
Морфологія, цитологія ‒ дріжджі округлої або овальної форми, розміри дріжджових клітин зазвичай становлять 3–7 мкм у діаметрі. Особливості притаманні грибам: наявність ядра, відсутність фотосинтезувальних пігментів і рухомості, наявність глікогену як запасної речовини. У більшості дріжджів клітини безбарвні, деякі види синтезують червоний, жовтий або оранжевий пігменти. Геном складається з близько 13 млн пар основ і 6 275 генів (близько 5800 з них є дійсними функціональними генами). Дріжджі розділяють близько 23 % свого геному з геномом людини.
Фізіологія: Saccharomyces характеризуються – вегетативним, безстатевим і статевим способом, але вегетативне розмноження (брунькуванням або фрагментацією гіф) в сахароміцетів часто важко чітко відмежувати від безстатевого (утворення конідій). Аскогенні гіфи і плодові тіла не утворюються, зигота розвивається безпосередньо в сумку або утворює аскоспор, що дає одну або декілька сумок. У міру зростання дріжджів, в них спостерігаються зміни від вік клітини, зовнішні умови, стадії онтогенезу: зернистість, вакуоль збільшується (водний розчин органічних і мінеральних речовин), здатність розмножуватись, ознака зрілості ‒ наявність глікогену і мета хроматину, які відкладаються в клітині як резервних матеріалів, що витрачається у міру її старіння, поступова деградація (зношення) клітин під дією НС і метаболізму.
Біохімічна активність. Дріжджі Saccharomyces є факультативними анаеробами, за типом живленя є хемоорганотрофами. Отримують енергію шляхом зброжування простих цукрів. При відсутності кисню вони отримують енергію за ранунок бродіння з виділення спиртів. При пропусканні повітря через субстрат дріжджі завершують бродіння і починають дихати (тому що цей процес є більш ефективним). Saccharomyces має комплекс третього ферменту синтезу триптофану, мананово-глюкановими клітинними оболонками.
Оптимальна температура життєдіяльності різна для різних представників роду. В природному середовищі представники роду Saccharomyces живуть в цукристих рідинах – соках дерев, плодів, деякі здатні розвиватися навіть в меді (рід Zygosaccharomyces). Такі види можуть викликати спиртне бродіння цукрів або їх окиснення. Добре відомі представники, що живуть на поверхні плодів і рослинних залишків, в грунті. Зустрічаються представники нормальної мікрофлори людської шкіри і слизових оболонок, що мешкають в кишечнику теплокровних тварин спиртове бродіння відбувається під дією ферментів дріжджоподібних організмів ‒ зимаз: два коферменти (кислота 2,3- діфосфогліцеровая і тіамінпірофосфат). За добу в кишечнику людини синтезується приблизно 1,5 г етанолу. Всі ці грибки зброджують, в першу чергу, глюкозу, інші моно-і олігосахариди.
Біотехнологічне значення ґрунтується на їх здатності спричиняти бродіння цукру, кінцеві продукти бродіння – вуглекислий газ і спирт. Кондитерське виробництво, для приготування печеного дріжджового хліба, пивоварінні, спиртовій промисловості, виробництві квасу, виноварінні; в народному господарстві, являються збудниками різних захворювань. Препарати дріжджів застосовуються як вітамінні і інші біологічно активні речовини (високий вміст в них вітамінів групи B).
Прогрес ‒ прикладне застосування в області біохімії, систематики та екології бактерій роду Saccharomyces.