книги из ГПНТБ / Технология гидролизных производств учебник

220

5. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ДРОЖЖЕПОДОБНЫХ ГРИБОВ (ПЕНТОЗНЫХ ДРОЖЖЕЙ) НА ГИДРОЛИЗНОМ СУСЛЕ

При помощи живых микроорганизмов можно осуществлять биологический синтез денных органических веществ — белка, витаминов, гормонов и других соединений, находящих широкое применение в качестве белково-витаминного корма в животновод­ стве, птицеводстве и звероводстве. Такими микроорганизмами являются различные виды дрожжеподобных грибов, хорошо усваивающих не только гексозы, но и пентозы и органические кислоты, поэтому они носят название пентозных дрожжей. При наличии благоприятной питательной среды, содержащей сахара, органические кислоты, азотистые и минеральные соединения,

атакже кислород, дрожжеподобные грибы быстро размножаются

иактивно накапливают дрожжевую биомассу.

Для выращивания кормовых дрожжей используются гидро­

При переработке барды гидролизных и сульфитно-спиртовых заводов питательными веществами являются: пентозы — ксилоза (0,35—0,80%) и арабиноза (0,11—0,16), органические кислоты, в основном уксусная (0,21—0,48 %) и левулиновая. В послеспиртовой барде, кроме того, содержатся органические кислоты, которые образуются при брожении и дыхании дрожжей: молочная, янтар­ ная, пировиноградная, фумаровая. Средой для выращивания дрожжей могут служить также предгидролизаты и отеки, получае­ мые при производстве кристаллической глюкозы и ксилозы и со­ держащие гексозы, пентозы, органические кислоты, азотистые и минеральные вещества. Методы подготовки питательной среды для выращивания кормовых дрожжей были изложены выше. Улучшение биологической доброкачественности гидролизной среды оказывает благоприятное влияние на этот процесс. Для производ­ ства кормовых дрожжей применяют бесспоровые дрожжеподоб­ ные грибы, хорошо усваивающие питательные вещества специфи­ ческих гидролизных сред и накапливающие биомассу.

Для получения высоких выходов дрожжей большое значение имеет выбор наиболее активных, урожайных, устойчивых в гидролизных и сульфитно-щелоковых средах микроорганизмов. Большая часть их была выделена из диких дрожжей или из микрофлоры дрожжевых заводов. Большое значение в подборе, выделении и изучении дрожжеподобных микроорганизмов для производства кормовых дрожжей имеют исследования научных ра­ ботников ВНИИгидролиза — А. П. Крючковой, Т. Н. Семушиной, Г. С. Родионовой, М. Я. Калюжного, П. Н. Фишер и др. Ими

/

к неблагоприятным условиям гидролизной среды. На основании этих исследований были подобраны для дрожжевых заводов и це­ хов и внедрены в производство наиболее урожайные расы пентозных дрожжей, полно и эффективно использующие питательные веще­ ства гидролизных сред (гексозы, пентозы, органические кислоты) и способные максимально накапливать биомассу. Так, из микро­

изменения природы микроорганизмов, удалось изменить многие свойства и качества дрожжеподобных грибов и получить новые расы, обладающие полезными .для производства свойствами: способностью полнее использовать органические вещества гидролизных сред, накапливать биомассу при высоких концентра­ циях РВ в сусле, развиваться в присутствии вреднодействующих веществ среды, при повышенной температуре и низком pH. Так были получены арабинозные варианты дрожжей Candida tropica­ lis СД-5 (саратовские), Х-9 (хорские), которые ранее слабо утилизировали арабинозу. Были выведены дрожжеподобные грибы Кр-9в С. scottii, устойчивые к действию фурфурола, и раса Тулунская-6 (Тул-6) того же вида, позволяющая вести процесс выращивания дрожжей без разбавления сусла. Подобраны также осмофилыіые дрожжи, способные расти и накапливать биомассу на концентрированных средах (до 10%)- В клетках осмофильных дрожжей концентрация клеточного сока, а следовательно, и осмо­ тическое давление в 2—3 раза выше, чем в клетках обычных кормовых дрожжей.

Классификация пентозных дрожжей. Изучение дрожжевой микрофлоры гидролизно- и сульфитно-дрожжевых заводов позволило охарактеризовать и классифицировать большинство видов, имеющих значение для промышленности.

В основу классификации дрожжеподобных грибов положены главным образом морфологические отличия, и в настоящее время нет систематики, которая учитывала бы комплекс всех физиологи­ ческих, филогенетических свойств, признаков и приспособлений этих микроорганизмов.

Систематику дрожжеподобных грибов предложили в 1952 г. голландские ученые Лоддер и Крегер ван Рей. Согласно их си­ стематике все дрожжеподобные грибы, у которых не наблюдается спорообразования и копуляции, относятся к классу несовершенных грибов Fungi imperfecti. В этом классе они выделены в порядок Cryptococcales, характеризующийся тем, что дрожжевые клетки почкуются, мицелий слабо развит или отсутствует, иногда образу­ ется ложный мицелий. К порядку Cryptococcales относятся семей­ ство аспорогенных дрожжей Cryptococcaceae, которое делится на три подсемейства. Это деление основано на способности дрожже­ подобных грибов образовывать аскоспоры, бластоспоры. К под­ семейству Cryptococcoideae относятся культуры, наиболее распро­

2 2 2

страненные в гидролизно-дрожжевом производстве. Это подсемей­ ство отличается тем, что наряду с почкующимися клетками может образоваться псевдомицелий и истинный мицелий. Псевдоми­ целием, или ложным мицелием, называют цепочки, состоящие из удлиненных клеток, образовавшихся путем почкования и соеди­ ненных друг с другом. Эти цепочки или нити часто разветвлены, и на них расположены овальные или круглые дрожжевидные клетки — бластоспоры. Подсемейство Cryptococcoideae включает семь родов в зависимости от способа размножения, способности образовывать мицелий или ложный мицелий и артроспоры — отдельные цилиндрические и округленные членики мицелия, часто располагающиеся зигзагообразно.

Наибольшее значение для гидролизно- и сульфитно-дрожжевой промышленности имеет род Candida. Характерной особенностью дрожжеподобных'Трйбов этого рода является образование псевдо­ мицелия и бластоспор, расположенных обычно в местах соедине­ ния клеток; встречается и истинный мицелий, но в незначительном количестве. Форма клеток разнообразна, они размножаются многосторонним почкованием. На основании морфологических, физиологических и культуральных признаков роды делятся на виды. При определении вида большое значение имеет способность микроорганизмов ассимилировать и сбраживать различные сахара. Род Candida включает 30 видов, отличающихся различ­ ным расположением мицелия, бластоспор и другими признаками. Наиболее распространенными видами рода Candida являются Candida tropicalis, С. utilis, С. scottii.

Виды подразделяются на расы, имеющие свойства, необходи­ мые тому или иному производству. Расы дрожжеподобных грибов, выделенные на разных заводах, отличаются по активности исполь­ зования органических веществ гидролизных сред, устойчивости к вреднодействующим факторам этих сред и по выходу биомассы. Лучшими расами являются: Кр-9в вида Candida scottii, Кд-14 (краснодарская) вида С. tropicalis, П-1 (приозерская) вида С. utilis. К другому подсемейству Trichosporoideae относится род Trichosporon, встречающийся в микрофлоре дрожжевых заводов среди спутников основной культуры. Род Trichosporon характери­ зуется наличием истинного и ложного мицелия, бластоспор и артроспор, на которые мицелий расчленяется. Бластоспоры имеют вид маленьких цепочек или венчиков, размножаются почкованием и делением. Представителем этого рода является вид Trichosporon

мы дрожжей и грибов, утилизирующих гексозы, пентозы и орга­ нические кислоты, отличаются по способности и скорости потреб­ ления органических веществ гидролизных сред, активности на­ копления биомассы, потребности в витаминах и устойчивости к примесям, подавляющим развитие микроорганизмов в этих средах.

223

Биохимические и физиологические свойства наиболее типичных культур белковых кормовых дрожжей приведены в табл. 20. Благодаря более полному использованию органических веществ гидролизных сред дрожжеподобные грибы рода Candida являются самыми урожайными, дающими высокий выход биомассы и со­ держащими наибольшее количество белка. Наиболее часто встре­

Наибольший интерес представляют небродящие дрожжеподоб­ ные грибы вида Candida scottii штаммов Кр-9в, Астр-1, Тул-1, выделенные соответственно из микрофлоры Красноярского, Астраханского и Тулунского дрожжевых заводов. Они обладают высокой активностью по усвоению всех компонентов гидролизных

Рис. 50. Дрожжеподобные грибы:

а — C andida scottii; б — Candida tropicalis; в — Candida utilis

сред, в том числе арабинозы, и являются прототрофными, синте­ зируя большое количество витаминов по сравнению с другими культурами. Однако эти дрожжи менее устойчивы в среде с по­ вышенным содержанием фурфурола и других вреднодействующих веществ и требуют подсева чистой культуры. Поэтому в дрожжерастильных аппаратах наряду с основными производственными культурами развиваются более устойчивые, но менее урожайные

является также дрожжеподобный гриб Trichosporon cutaneum. По скорости роста он уступает С. scottii, в производстве вызывает сильное пенение, что затрудняет технологический процесс. Однако по выходу биомассы и по накоплению белка он не уступает урожайным дрожжам. Поэтому развитие грибов рода Trichosporon совместно с дрожжами не снижает выход и качество продукции и является целесообразным.

На заводах, перерабатывающих сульфитные щелока, состав микрофлоры более однородный. Наиболее устойчивой и неприхот­ ливой производственной культурой являются дрожжеподобные грибы Candida utilis, которые ранее обозначались как Torulopsis utilis. Почти на всех заводах они составляют 80— 100% всей дрожжевой массы. В последнее время в условиях непрерывного

224

226

выращивания дрожжей, кроме одиночных почкующихся клеток, в этой культуре появились ветвистые формы. По биохимическим признакам, по выходу биомассы, содержанию белка эти расы не отличаются друг от друга. Дрожжи С. utilis отличаются устойчи­ востью к содержанию сернистого ангидрида (до 0,06—0,08%) и не.нуждаются в готовых витаминах или витаминоподобных веще­ ствах. На сульфитно-щелоковых средах развиваются также ветви­ стые дрожжи С. arborea и С. tropicalis расы Ск-5, Сов-2, выделен­ ные соответственно из микрофлоры Сокольского и Советского ЦБК, и пылевидная культура Сл-1 (Слокский дрожжевой завод). Дрожжи вида С. tropicalis устойчивы к действию S 0 2, фурфурола, более урожайны, более полно используют сахара среды по сравне­ нию с дрожжами С. utilis. Но они более чувствительны к наруше­ нию технологического режима, и, в отличие от С. utilis, не синте­ зируют биотин. Поэтому в производственных условиях дрожжи С. tropicalis часто вытесняются дрожжами С. utilis или развива­ ются совместно с последними, составляя 20—40% всей дрожжевой массы. Смешанные культуры, развивающиеся в ассоциации, дают наилучший производственный эффект по утилизации сахаров-, выходу биомассы, урожайности, так как при совместном выращи­ вании дрожжи С. utilis, синтезируя все витамины, создают условия для роста С. tropicalis, нуждающихся в биотине.

Условия размножения и роста пентозных дрожжей. Размноже­

ние и биосинтез дрожжей представляет собой ряд последователь­ ных взаимосвязанных процессов. Для того чтобы дрожжи активно размножались и с максимальной скоростью накапливали био­ массу, необходимо создать им оптимальные условия развития.

Скорость накопления биомассы дрожжей в дрожжерастильном чане зависит от целого ряда факторов: состава и концентрации в питательной среде углеродсодержащего энергетического мате­ риала (сахара, органических кислот), наличия минеральных элементов и биостимуляторов, обеспеченности кислородом, кон­ центрации дрожжей, скорости размножения их, зависящей от вида дрожжей и их физиологического состояния.

Среда для выращивания дрожжей должна содержать все пита­ тельные вещества, из которых клетки синтезируют свою цито­ плазму и другие структурные элементы. Источником углерода являются углеводы и органические кислоты. Углеводы — это основной энергетический и строительный материал клетки. Со­ держание углеводов в питательной среде должно составлять 1,5—2,5%, в этом случае создаются оптимальные условия нара­ стали биомассы. Концентрация сахаров в питательной среде может быть и выше, но в этом случае необходимо увеличить в ней количество растворенного кислорода. Существует определенная закономерность в утилизации сахаров дрожжеподобными грибами. Наиболее быстро и полно усваивается глюкоза, затем другие гексозы. Медленнее усваивается галактоза. Ксилоза утилизиру­ ется после глюкозы; арабинозу полностью .усваивают только дрожжеподобные грибы вида С. scottii, дрожжи С. tropicalis

усваивают ее слабо, а С. utilis практически арабинозу не используют. По мере использования углеводов прирост биомассы дрожжей идет за счет энергетического материала неуглеводного характера.

Пентозные дрожжи используют органические кислоты среды и

и в качестве единственного источника углерода. Наиболее полно и быстро с большим выходом биомассы усваиваются уксусная и янтарная кислоты. В смеси с глюкозой и ксилозой уксусная кислота потребляется раньше, чем ксилоза. Медленнее ассими­ лируются левулиновая, фумаровая, пировиноградная кислоты. Муравьиная потребляется дрожжеподобными грибами в слабых концентрациях (0,1—0,2%), но дает низкий выход биомассы. Дрожжеподобные грибы рода Candida расы Кр-9в используют все органические кислоты, в том числе и уроновые. Гриб Trichosporon' в процессе дыхания окисляет все органические кислоты, кроме левулиновой. Он интенсивно растет в среде с муравьиной кислотой и дает выход биомассы до 60%.

Азотистые соединения входят в состав белков и нуклеиновых кислот клетки и необходимы для размножения дрожжеподобных грибов. Последние могут использовать только азот, находящийся в усвояемой форме. Хорошим источником азота является аммиач­ ный азот, а также аминокислоты. Степень утилизации углеводов гидролизного сусла и барды, а также глубина использования дру­ гих углерод- и азотсодержащих компонентов зависят от вида и расы дрожжеподобных грибов. Для их размножения и развития необходимы минеральные вещества, особенно соединения фосфора, калия, серы, магния, железа и др. В очень небольших количествах необходимы также микроэлементы, без которых нарушается правильное формирование дрожжевой клетки. Так, микро­ элементы Zn, Со, Ni, U и другие необходимы для стимуляции раз­ вития и роста дрожжей (они катализируют сложные физиологи­ ческие процессы). Биостимуляторы в дрожжевое сусло добавлять не нужно, так как дрожжеподобные грибы рода Candida синте­ зируют необходимые для их жизнедеятельности витамины. Если дрожжеподобные грибы ослаблены или не синтезируют какойлибо витамин, в питательную среду добавляют, например, дрож­ жевой автолизат, содержащий биотин.

Для выращивания дрожжей, для их интенсивного размножения и роста необходим кислород, т. е. необходима аэрация питатель­ ной среды, так как синтез веществ цитоплазмы новых молодых клеток связан с затратой энергии, получаемой дрожжами в про­ цессе дыхания. Дрожжеподобные грибы непрерывно потребляют кислород из жидкой среды потому, что только растворенный, мелко диспергированный кислород проникает в дрожжевую клетку через ее наружную оболочку. Скорость растворения кислорода в питательной среде зависит от количества поступающего воздуха, от конструкции дрожжерастильного аппарата и его воздухорас­

228

пределительной системы. Для создания наиболее благоприятных условий размножения дрожжей в жидкости следует постоянно под­ держивать необходимую концентрацию растворенного кислорода. Потребность кислорода для синтеза биомассы дрожжей зависит от природы углеродистого субстрата. Среды, содержащие в каче­ стве источника углерода сахара, требуют для синтеза 1 г био­ массы почти в 2 раза меньше кислорода, чем среды с органиче­ скими кислотами.

При окислении того или иного органического вещества разными видами дрожжей расходуется различное количество кислорода. Это различие объясняется биохимическими особенностями видов дрожжей, количеством и активностью имеющихся у них фермен­

жения они находятся. Для дрожжеподобных грибов, как и для других культур микроорганизмов, характерны следующие стадии развития или роста: лаг-фаза, экспоненциальная (логарифмиче­ ская), стационарная и фаза отмирания или затухания роста (рис. 51). Эти фазы характеризуются различной скоростью раз­ множения, размером клеток, их морфологией и специфичностью

жеподобных грибов к новой среде. Причины задержки их роста бывают внешние и внутренние. К внешним причинам относятся не вполне благоприятные значения pH и температуры, новый состав среды, отличный от того, в котором развивались засевные микро­ организмы, и др. Внутренние причины — это отсутствие готов­ ности дрожжевых клеток к размножению, так как не накопился еще запас энергии, необходимой для этого процесса, а также не произошло активирование ферментов. Все эти причины опреде­ ляют длительность лаг-фазы. Эта длительность имеет и видовую специфичность. У одних микроорганизмов в благопрятной среде она измеряется минутами, у других — часами. Если в очень

229