1. Микроорганизмы, используемые в хлебопекарном производстве
Производство хлеба включает сложный цикл микробиологических и биохимических процессов, происходящих в тесте с момента смешивания муки с водой и внесения необходимых микроорганизмов. В изготовлении хлеба принимают участие дрожжи сахаромицеты и молочнокислые бактерии, для которых в тесте имеются все необходимые условия: влажность (40–50 %), незначительное содержание кислорода и наличие необходимых питательных веществ, присутствующих в муке. В последние годы в хлебопечении все чаще используют пропионовокислые бактерии и бифидобактерии.
Дрожжи вызывают в тесте спиртовое брожение, лактобактерии – молочнокислое, а пропионовокислые бактерии – пропионовокислое. Жизнедеятельность этих микроорганизмов начинается на стадии замеса теста и достигает наибольшей активности на стадии брожения теста. При разделке и расстойке происходит замедление метаболических процессов, а при выпечке микроорганизмы погибают.
Микроорганизмы заквасок и теста оказывают существенное влияние на качество готовых изделий, образуя необходимое для разрыхления теста количество диоксида углерода и накапливая различные органические кислоты, что в конечном счете определяет пористость мякиша, объем, вкус и аромат хлеба.
1.1. Дрожжи
1.1.1. Строение дрожжевой клетки
По строению клетки дрожжи относятся к эукариотам (рис. 1.1). Дрожжевая клетка имеет клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму, ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы, вакуоли, запасные питательные вещества, мембранные структуры.
Клеточная стенка – прочная эластичная структура толщиной от 40 до 250 нм, состоящая, как правило, из трех слоев. Наружный слой – липопротеиновый; к нему примыкает маннанопротеиновый слой, представляющий собой комплекс полисахарида маннана с белком; третий слой, прилегающий к цитоплазматической мембране, – глюкановый. Он играет основную роль в поддержании постоянной формы клетки. В клеточной стенке дрожжей обнаружен также хитин – полимер, состоящий из остатков N-ацетилглюкозамина. Он образует кольцо вокруг дочерних шрамов материнской клетки. В глюкановых слоях концентрируются ферменты класса гидролаз и оксидаз, катализирующие реакции расщепления и окисления питательных веществ субстрата.
Клеточная стенка выполняет важные функции: придает клетке определенную форму, поддерживает внутриклеточное давление, обладает избирательной проницаемостью (через нее в клетку проникают только низкомолекулярные соединения).
Рис. 1.1. Строение дрожжевой клетки:
КСт – клеточная стенка; ПМ – плазматическая мембрана; Цпл – цитоплазма, содержащая рибосомы; Яш – ядрышко; Мит – митохондрия; ЭР – эндоплазматический ретикулум; Д – диктиосома; П – гранулы полифосфатов; Ж – жировая капелька; Руб – рубец (шрам почкования)
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ), или плазмолемма, – структура толщиной 6–8 нм, плотно прилегающая к внутренней стороне клеточной стенки. Она состоит из двойного слоя фосфолипидов, в которые погружены молекулы белка. На внутренней и внешней сторонах мембраны находятся периферийные белки. У Saccharomyces cerevisiae основными фосфолипидами являются фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин, на долю которых приходится до 90 % всех липидов мембраны. Кроме фосфолипидов, в состав ЦПМ входят также липиды стероидной природы, главным образом эргостерол. Построение клеточной мембраны из молекул фосфолипидов обусловливает два взаимно противоположных свойства структуры: в то время как глицериновый остов с фосфором притягивает воду (является гидрофильным), хвосты жирнокислотных остатков отталкивают воду (являются гидрофобными). В результате образуется непроницаемый двойной слой без наличия связей между фосфолипидными молекулами.
Функции ЦПМ: регуляция биосинтеза клеточной стенки, транспорт питательных веществ в клетку, удаление продуктов метаболизма. Мембранные компоненты играют роль ионообменника, регулируя прохождение заряженных ионов через мембрану.
Цитоплазма дрожжевой клетки (цитозол) занимает более 50 % объема клетки и представляет собой сложную коллоидную систему, имеющую в зависимости от возраста различную степень вязкости. В молодой клетке наблюдается интенсивный циклоз – круговые движения цитоплазмы, обеспечивающие интенсивный транспорт продуктов обмена от одной органеллы к другой. В цитоплазме располагаются все структуры клеток и гранулы запасных питательных веществ. По данным электронно-микроскопических исследований, основой цитоплазмы является гомогенная сеть тонких нитевидных и глобулярных молекул.
Ядро играет главную роль в клетке. Основная функция ядра – хранение генетической информации. Оно контролирует синтез белка и нуклеиновых кислот, процесс размножения клетки, образование новых клеточных структур. Ядро у дрожжей представляет собой округлое образование диаметром 1–2 мкм, отделенное от цитоплазмы двойной пористой мембраной. Обладая уникальной структурой, ядерная мембрана непосредственно участвует в репликации ДНК и может сообщаться с цитоплазмой. Главным компонентом ядра является хроматин, состоящий из ДНК и гистонов. Хроматин может находиться в диффузном состоянии в интерфазе. Перед размножением весь хроматин концентрируется в хромосомы, при делении которых передаются наследственные свойства организма. Число хромосом в ядрах разных видов дрожжей может быть различным, оно колеблется от 2 (у Candida utilis) до 16 (у Saccharomyces cerevisiae).
Внутри ядра имеется нуклеоплазма с ядрышком, которое синтезирует высокомолекулярную РНК для рибосом.
Митохондрии – обязательные структуры эукариотической клетки. В зависимости от условий культивирования дрожжей митохондрии могут иметь сферическую, палочковидную или нитевидную форму. Митохондрии окружены двойной мембраной: внешней – гладкой и внутренней, образующей множество складок или трубочек, называемых кристами. Внутреннее содержимое митохондрий называется матриксом. В состав митохондрий входит 30–40 % липидов и 70–60 % белка.
В матриксе митохондрий локализованы ферменты цикла трикарбоновых кислот, а ферменты дыхательной цепи находятся во внутренней мембране митохондрий. В митохондриях находится также митохондриальная ДНК (мДНК), которая кодирует некоторые ферменты матрикса. Число митохондрий в одной клетке изменяется в пределах от 1 до 20 в зависимости от периода роста и условий культивирования дрожжей. Важнейшей функцией митохондрий является синтез АТФ (аденозинтрифосфата).
Эндоплазматический ретикулум (ЭР) – представляет собой систему двойных мембран (канальцев, пузырьков или цистерн), тесно контактирующую с ЦПМ, ядерной мембраной (нуклеолеммой), митохондриями и другими структурами. Он пронизывает всю цитоплазму, к его поверхности прикреплены рибосомы. Основная функция ЭР заключается в обеспечении упорядоченной доставки различных веществ к местам их использования. Большая активная поверхность мембран способствует локализации на ней разного рода ферментных систем. На эндоплазматической цепи располагаются цепочки рибосом.
Диктиосомы (в переводе означает «сетчатое тело» от греческих слов диктион – сеть и сома – тело) представляют собой плотно уложенные стопки из трех–пяти плоских мешочков, называемых также цистернами Гольджи. По периферии мешочки расширяются в виде валика и окружены пузырьками – везикулами. Они выполняют экскреторные и секреторные функции, участвуют в образовании новых мембран и формировании стенок растущих клеток.
Лизосомы – электронно-плотные гранулы, ограниченные липопротеидной мембраной. В лизосомах находятся активные ферменты из класса гидролаз, которые освобождают клетки от чужеродных и собственных необратимо поврежденных субклеточных компонентов.
Рибосомы – нуклеопротеидные частицы диаметром около 20 нм, содержащие 40–45 % РНК и 60–55 % белка. Они либо находятся в цитоплазме в свободном виде, либо связаны с мембранами эндоплазматического ретикулума. Рибосомы состоят из двух субъединиц – большой и малой, каждая из которых построена из молекулы рибосомальной РНК и определенного набора белков. Основной функцией рибосом является синтез белка.
Вакуоли – органеллы, отделенные от цитоплазмы вакуолярной мембраной. Вакуоль играет важную роль в обмене веществ клетки. В ней сосредоточены соли натрия, калия, кальция, магния, а также различные ферменты, полифосфаты, углеводы, белки. Эти вещества используются клеткой по мере надобности. Размеры вакуоли зависят от возраста и физиологического состояния дрожжевой клетки: в молодых клетках вакуоли мелкие, в старых - занимают большую часть клетки.
Гликоген – запасное питательное вещество, представляющее собой полисахарид, структурной единицей которого является ά-глюкоза. Гранулы гликогена появляются в клетках дрожжей в начале брожения при избытке в среде углеводов. Содержание гликогена может возрасти более чем на 30 % от содержания СВ дрожжей. К концу брожения содержание гликогена в клетках уменьшается. Наряду с другими резервными веществами, в дрожжевой клетке откладывается дисахарид трегалоза. Он заключен в мелкие везикулы, окруженные мембраной.
Метахроматин (волютин) – резервное вещество клетки, состоящее из липопротеидов, полифосфатов, магния и РНК. Он скапливается в вакуолях или цитоплазме в виде гранул. У дрожжей, размножающихся в среде, обедненной фосфором, метахроматин не обнаруживается.
Липиды накапливаются в цитоплазме и выполняют роль резервного материала. Они представляют собой смесь триглицеридов с фосфолипидами и эргостеролом. В старых клетках капельки жира хорошо различимы благодаря преломлению света.
Шрам почкования появляется на поверхности материнской клетки после отделения от нее дочерней клетки при бесполом способе размножения дрожжей – почковании. По числу шрамов (от четырех до шести) можно узнать возраст клетки.