Технология хлебопекарных дрожжей. Учебное пособие

Прессованные дрожжи сушат в сушилках различных конструкций и при различных режимах, соблюдая следующую общую закономерность: в начале сушки температура воздуха должна быть равна 70-90 ° С, а во втором периоде 45-50 ° С. Снижение температуры во втором периоде предупреждает денатурацию белков клетки. Сушка несколько вредит дрожжевым клеткам, увеличивает содержание восстановленного глютатиона, ухудшает подъемную силу дрожжей, поэтому желательно применять мягкие режимы высушивания дрожжей, т.е. при температурах сушильного воздуха 45-50 и 35 ° С. Хорошие результаты дает сушка под вакуумом и сушка в виброкипящем слое.

Средняя продолжительность высушивания 5-6 ч. Высушенные дрожжи имеют вид гранул, вермишели, крупок, порошка или смеси этих форм. Цвет дрожжей светло-серый, запах специфический, дрожжевой.

Прессованные дрожжи заменяют сушеными с учетом их подъемной силы.

При хранении допускается ежемесячное ухудшение подъемной силы на 5 % [1].

1.3.ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ

Вдрожжевом производстве ценятся быстроразмножающиеся расы дрожжей, обладающие хорошей подъемной силой, стойкостью при хранении и способные активно сбраживать сахара.

Химический состав хлебопекарных дрожжей различается в зависимости от условий их культивирования, состава питательной среды

ифизиологического состояния клеток.

Впрессованных дрожжах содержится до 70-75 % воды и 25-30 % сухих веществ. При этом часть воды находится в межклеточном пространстве, а часть – в цитоплазме дрожжей. Соотношение между внутриклеточной и межклеточной влагой меняется в зависимости от расы дрожжей, а также от технологического режима их выращивания

испособа выделения готового продукта из культуральной жидкости.

11

Сухие вещества дрожжей состоят из белков (50 %), жиров (1,5 %), углеводов (30-35 %), клетчатки и золы (по 7 %). Этот состав не постоянен и может колебаться в широких пределах в зависимости от перечисленных выше условий.

Кроме белков, азотсодержащие вещества дрожжей представлены нуклеотидами, аминами и пептонами. В дрожжах также содержатся аминокислоты, но их количество сильно зависит от физиологического состояния дрожжевой клетки.

Углеводы представлены следующими полисахаридами: гликоген, трегалоза, маннан, глюкан, хитин.

Гликоген является запасным резервным углеводородом клетки. По составу и структуре он близок к гликогену животного происхождения. Гликоген в дрожжевой клетке находится в цитоплазме в виде гранул. Каждая гранула гликогена защищена прочной мембранной оболочкой из глюкана. В дрожжах содержится несколько фракций гликогена:

−щелочнорастворимая;

−фракция, растворимая в уксусной кислоте;

−фракция, растворимая в хлорной кислоте.

Трегалоза – резервный углеводород дрожжевой клетки, относится к нередуцирующим дисахаридам.

Маннан находится в клеточной стенке дрожжей и состоит из маннозы и примесей фосфата, глюкоза, глюкозамина.

Глюкан – полиглюкозид, является основным компонентом клеточной стенки и отвечает за форму дрожжевых клеток.

Хитин – полисахарид, обладающий высокой химической инертностью, содержится в небольших количествах в клеточной стенке.

Жировые вещества дрожжей состоят из нейтральных жиров, жирных кислот, а также жироподобных веществ – в основном липоидов и стиролов.

В прессованных дрожжах содержится около 1,5 % жира, который состоит в основном из насыщенных кислот, из которых 75 % – пальмитиновая кислота, 25 % – стеариновая кислота. В небольших количествах содержатся олеиновая и лауриновая кислоты.

12

Стиролы представлены эргостерином, количество которого в дрожжах различно и зависит от вида дрожжей и условий их культивирования и составляет примерно 2 % от общего содержания жира. Эргостерин является провитамином Д и легко переходит в этот витамин. Поэтому по содержанию эргостерина количественно оценивается питательность дрожжей.

Жировые вещества дрожжей являются важной частью протоплазмы клетки. Их молекулы объединены в жировые мицеллы палочковидной формы. Эти мицеллы равномерно распределены между мицеллами протеинов.

Между мицеллами протеинов и жировых веществ образуются сложные соединения – липопротеины, которые являются основным структурным материалом дрожжевой клетки. Помимо связанных жировых веществ в протоплазме многих видов дрожжей имеются также жировые вещества в свободном виде, которые представляют собой жировые капли.

При определении зольности дрожжей в золе найдены такие вещества как калий, натрий, кальций, магний, железо, оксид фосфора (V), оксид кремний (IV). Концентрация этих веществ также зависит от условий культивирования дрожжей, но всегда зола на половину состоит из фосфора при общей зольности 6-12 % от общей массы сухих веществ дрожжей.

В дрожжах содержится ряд витаминов – В1, В2, В3, В5, В6, Д. Все эти витамины принимают участие в биохимических процессах, протекающих внутри клетки. Кроме этих витаминов дрожжи содержат парааминобензойную и фолиевую кислоты. Парааминобензойная кислота проявляет двойное действие – как самостоятельный витамин В10 и как составная часть фолиевой кислоты. Обе эти кислоты являются составной частью ферментов клетки, которые катализируют синтез нуклеиновых оснований. Витамины группы В входят в состав ферментов. Большое значение для жизнедеятельности дрожжей имеет витамин В7 – биотин. Дрожжи Saccharomyces неспособны синтезировать биотин самостоятельно, поэтому для их нормального развития

13

необходимо обязательное присутствие биотина в питательной среде для культивации дрожжей, так как он является важнейшим фактором их роста.

В некоторых видах дрожжей содержатся такие стимуляторы роста как инозиты, в частности – мезоинозит.

Таким образом, основными факторами роста дрожжей являются биотин, инозит, пантотеновая, никотиновая и парааминобензойная кислоты. Однако для различных рас хлебопекарных дрожжей необходимы разные факторы роста и только биотин необходим для всех рас.

Повышению содержания витаминов в дрожжевых клетках способствует состав питательной среды. Поэтому можно обогащать хлебопекарные дрожжи, например, витаминами группы В, помещая их кратковременно на 1-2 ч для брожения в среды, содержащие либо витамины, либо составные части витаминов (тиазол), либо провитамины.

Все процессы обмена веществ в клетках дрожжей протекают с участием ферментов, которые называются энзимами. Энзимы относятся к катализаторам белковой природы. Сущность механизма каталитического действия энзимов заключается в том, что в процессе культивирования дрожжей окружающий их экстракт (субстрат) образует с энзимами непрочные временные соединения, которые называются фермент-субстратный комплекс. В этом комплексе внутримолекулярные связи субстрата ослабляются и легко разрываются. При этом промежуточный комплекс разрушается, субстрат разлагается с образованием продуктов, легко усвояемых клеткой, энзимы высвобождаются и затем могут вновь взаимодействовать со следующей молекулой субстрата.

Таким образом, в клетках дрожжей вырабатывается особый комплекс ферментов, в котором некоторые ферменты выделяются клеткой в окружающую среду и служат для внеклеточного переваривания пищи. Эти ферменты расщепляют сложные вещества питательной среды на простые, а затем легко проникают через клеточную мембрану внутрь клетки. Это – внеклеточные экзоферменты.

14

Активность всех видов ферментов в клетке зависит от температуры, рН среды и от того, в каком виде фермент находится в клетке. Фермент проявляет наибольшую активность в свободном состоянии. При образовании фермент-субстратного комплекса фермент переходит в неактивное состояние до момента разрушения этого комплекса. Особенностью ферментов является то, что в процессе своей работы они полностью инактивируются и разрушаются, поэтому в клетке синтез ферментов происходит непрерывно.

В настоящее время считают, что все ферменты в клетках образуются как результат взаимодействия клетки с окружающим субстратом. Ферменты и ферментные системы расположены в различных структурах клетки. Все ферментные системы гликолиза (брожения) располагаются в растворимой фракции цитоплазмы, а ферменты, участвующие в окислении жирных кислот и некоторых аминокислот находятся в митохондриях клетки [1, 4].

Контрольные вопросы

1.Какие виды дрожжей применяются в пищевой промышленности?

2.Какой ферментный комплекс дрожжевой клетки является основным?

3.Какие компоненты должны входить в состав жидкой среды для развития дрожжей?

4.Виды хлебопекарных дрожжей.

5.Особенности химического состава хлебопекарных дрожжей.

15

2.ФИЗИОЛОГИЯ ДРОЖЖЕЙ

2.1.ОСОБЕННОСТИ ДЫХАНИЯ ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТОК

Дыхание дрожжей – сложный процесс биологического окисления, происходящий в клетке дрожжей и сопровождающийся выделением энергии. По типу дыхания дрожжи относятся к факультативным анаэробам.

Процесс дыхания дрожжей состоит из ряда последовательных окис- лительно-восстановительных реакций между водородом, отщепляющимся от карбоновых кислот в цикле трикарбоновых кислот, и молекулярным кислородом. Окисление пировиноградной кислоты происходит за счет кислорода воды и отщепления атомов водорода (СН3СОСО-ОН + 3H2O = 3СO2 + 10Н+). Затем водород переносится на дыхательную цепь дрожжей, которая сходна с таковой высших растений. Она включает ряд дегидрогеназ, связанных с НАД-Н (пируват-, изоцитрат-, α- кетоглутарат-, лактат- и малатдегидрогеназы), флавопротеиды, кофермент Q (убихинон) и цитохромы. Особенностью дыхательной цепи дрожжей является наличие митохондриальной НАД – зависимой алкогольдегидрогеназы, катализирующей окисление этилового спирта, помимо алкогольдегидрогеназы I и II, локализированной в цитоплазме.

В процессе аэробного дыхания дрожжи, окисляя один моль глюкозы, получают энергию, равную 2817 кДж, из которой только 1025 % используют для своих нужд; остальная энергия выделяется в окружающую среду в виде тепла. Именно поэтому температуpa бродящего теста выше температуры окружающей среды. В анаэробных условиях дрожжи получают энергию за счет бескислородного дыхания, т.е. брожения.

Брожение спиртовое – один из путей анаэробного превращения углеводов; при этом глюкоза практически полностью расщепляется дрожжами до этилового спирта и СO2 с одновременным накоплением высших спиртов и др. продуктов обмена и выделением незначительной части энергии.

16

С энергетической точки зрения более выгодным является процесс аэробного окисления углеводов, т.е. дыхание, поскольку при брожении выделяется почти в 28 раз меньше энергии. Однако с технологической точки зрения следует ограничить процесс дыхания и функцию размножения дрожжей и усилить их бродильную активность. У дрожжей анаэробное превращение глюкозы есть обязательная первая стадия, за которой может следовать аэробная фаза – дыхание, интенсивность которой находится в прямой зависимости от условий культивирования. В хлебопечении дыхание дрожжей в слабой степени участвует только в начале процесса брожения, но это участие очень важно, т.к. оно обусловливает размножение дрожжей. Пока в среде имеется кислород, дрожжи дышат, но не бродят; брожение начинается тогда, когда весь кислород израсходован.

При аэробном сбраживании малосахаристых сред брожение угнетается дыханием и при этом значительно снижается потребление глюкозы. Торможение ферментативного разложения сахара происходит вследствие использования кислорода, т.е. вследствие дыхания дрожжей. Аэрация высокосахаристых сред вызывает противоположный сдвиг энергетического обмена у дрожжей: тормозит дыхание и активизирует брожение.

При развитии клеток дрожжей в анаэробных условиях происходит резкая перестройка энергетического обмена, митохондрии превращаются в недифференцированные структуры, называемые промитохондриями, снижается дыхательная активность. Отсутствие дыхания компенсируется усилением гликолиза, который становится основным источником энергии клетки. Бродильная функция клеток дрожжей при этом достигает максимума.

Установлено, что бродильная активность дрожжей, развивающихся под избыточным давлением СO2 до 0,5 МПа, на 25 % выше активности дрожжей, развивающихся при брожении в аэробных условиях. Скорость размножения низкая, что свидетельствует о специфическом действии высоких концентраций углекислого газа на функцию почкования дрожжей. Наблюдается нарушение корреляции меж-

17

ду скоростью размножения и скоростью утилизации сахаров из среды, что ведет к обогащению среды вторичными продуктами и повышенному содержанию в ней восстановленных веществ.

Функциональная перестройка клеток наступает и при выращивании дрожжей на неполноценной питательной среде или в среде с несбалансированным содержанием витаминов, микроэлементов и др. питательных веществ. Избыток витамина B1 приводит к перестройке дрожжей даже в аэробных условиях культивирования на бродильный тип. Недостаток витамина В3 резко снижает дыхательную активность, и это изменение передается по наследству. Добавление в среду эргостерина и насыщенных жирных кислот (в форме твин-80) способствует росту дрожжей в анаэробных условиях [2, 6].

2.2. МЕТАБОЛИЗМ ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТОК

При благоприятных условиях культивирования дрожжевые клетки непрерывно размножаются и их общая масса постоянно растет. Это связано с тем, что питательные вещества из окружающей среды непрерывно поступают в дрожжевую клетку для питания. Эти питательные вещества подвергаются внутриклеточному превращению, которое приводит к росту микроорганизмов, увеличению их массы и к формированию и накоплению внутриклеточных веществ и к размножению клетки. Параллельно с этим протекают процессы разложения веществ клетки. Все получающиеся продукты распада выделяются из дрожжевой клетки в окружающую среду. Процессы разложения и окисления сопровождаются выделением скрытой химической энергии веществ, которая и позволяет осуществлять все те превращения протоплазмы, которые связаны с питанием клетки и постепенным наращиванием дрожжевой массы. Поэтому в питательной среде должны содержаться все питательные соли, которые нужны клетке для построения веществ протоплазмы, а также все витамины, которые не могут синтезироваться клеткой самостоятельно.

Питательные вещества проникают в дрожжевые клетки путем осмотической диффузии через поверхностную оболочку клетки. Этот

18

процесс подчиняется общим законам осмоса. В водных растворах, в которых инкубируются дрожжи, всегда должны содержаться питательные вещества и всегда существует их приток и приток воды в протоплазму. Поэтому протоплазма у нормально развивающейся клетки всегда прижата к оболочке. Такое состояние клетки – тургор. При его наличии процессы обмена веществ в клетке протекают быстро и оптимально. Поэтому он может использоваться как качественная характеристика для оценки состояния клетки.

При выращивании дрожжей в аэрируемой среде, содержащей все необходимые компоненты для накопления биомассы, главное значение для быстрой скорости роста и размножения дрожжей имеет содержание таких веществ как азот, фосфор, калий, магний. Скорость отпочковывания дочерних клеток и их рост обусловлены генеративной активностью дрожжей. Эта активность свойственна только дрожжевым клеткам дыхательного типа с хорошим питанием, в которых содержится много азота, фосфора, ростовых веществ. Поэтому в условиях промышленного дрожжевого производства учитывается не только состав среды, но и требуемая для дрожжей концентрация питательных веществ в этой среде [1, 3].

2.3. СТАДИИ РАЗВИТИЯ ДРОЖЖЕЙ

Любой дрожжевой клетке присущи четыре основные фазы роста: лагфаза, фаза логарифмического роста, стационарная фаза и фаза отмирания. Необходимо учесть, что производственный процесс выращивания дрожжей учитывает только первые три фазы, поскольку в дрожжевом производстве фазы отмирания клетки быть не должно.

Лагфаза – период, во время которого внесенные в питательную среду дрожжевые клетки чистой культуры адаптируются к окружающей среде. В этот период их ферментные системы перестраиваются на синтез биомассы. Поэтому активизируется синтез аминокислот, полифосфатов, рибонуклеиновых кислот. В результате увеличиваются размеры клеток, масса их растет, и дрожжи начинают подготавливаться к почкованию, но они еще не размножаются. Продолжительность лагфазы зависит от активности ферментных систем клеток, ко-

19

личества исходного засевного материала, количества и состава питательного субстрата, в который помещены клетки, от температуры, рН, аэрации культуральной среды и способа инкубирования. В этот период клетки обладают особо высокой чувствительностью к внешнему воздействию.

Фаза логарифмического роста характеризуется высокой активностью размножения клеток. При обеспечении клеток необходимыми питательными и ростовыми веществами, а также при отсутствии лимита по растворенному кислороду в культуральной среде, количество почкующихся клеток быстро возрастает, достигая 70-80 % от общего числа. Биомасса дрожжей постепенно повышается за счет образования новых дочерних клеток, которые, вырастая до материнской клетки, также начинают почковаться, образуя новую генерацию дрожжей. Исходные материнские клетки после отпочковывания дочерних клеток вновь начинают почковаться. Одна дрожжевая клетка за фазу логарифмического роста способна воспроизвести 25-40 новых клеток. Эта фаза характеризуется максимальной скоростью роста дрожжевых клеток. Продолжительность фазы зависит от количества питательных веществ в среде, аэрации, количества образующихся продуктов метаболизма. Если выработка дрожжей осуществляется с помощью периодического процесса, то в конце фазы логарифмического роста скорость роста дрожжевых клеток постепенно снижается вследствие нехватки источников питания, а также накопления ингибирующих продуктов и связанных с этим изменений физических свойств среды. При условии постоянного пополнения среды питательными веществами и одновременного выведения из культуральной среды вредных продуктов обмена клетки фаза логарифмического роста может продолжаться практически бесконечно (непрерывный способ производства дрожжей). На этой особенности микроорганизмов и основано промышленное производство хлебопекарных дрожжей. В этот период у клетки повышается устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды.

Стационарная фаза. В этой фазе образование новых клеток практически прекращается, заканчивается и их почкование, т.к. подачу питательных веществ в дрожжерастильный аппарат прекращают.

20