Технология хлебопекарных дрожжей. Учебное пособие

Клетки увеличиваются в размерах, и масса их продолжает расти. Прирост биомассы в этой фазе составляет 5-10 % от массы дрожжей, накопленных в фазе логарифмического роста. Ферментные системы клетки перестраиваются с активного синтеза биомассы на процессы обмена, поддерживающие их жизнедеятельность. При этом устойчивость клетки к окружающей среде резко повышается. Стационарная фаза соответствует дозреванию клеток в дрожжевом производстве.

Фаза отмирания характеризуется отсутствием роста и размножения микроорганизмов, масса клеток уменьшается, т.к. все питательные вещества культуральной среды использованы в предыдущей фазе. Для поддержания собственной жизнедеятельности клетки начинают использовать запасы питательных веществ, сделанные ранее. Начинает постепенно усиливаться автолиз клеток. Качество дрожжей резко ухудшается.

Технологическим процессом производства дрожжей эта фаза не предусматривается, т.к. дрожжи выделяют из культуральной среды несколько раньше фазы отмирания. Однако фаза возможна при аварии или поломке сепараторов, на которых дрожжи отделяются от культуральной жидкости. В этом случае дозревшие дрожжи вынужденно простаивают в дрожжерастильных аппаратых без притока питательных веществ.

Для повышения съема биомассы с дрожжерастильного аппарата технологический процесс необходимо вести таким образом, чтобы сократить до минимума период лагфазы и увеличить продолжительность фазы логарифмического роста, т.к. от этих двух фаз зависит выработка и выход дрожжей.

Стационарная фаза также оказывает некоторое влияние на эти два показателя. Однако от правильности ведения процесса в стационарной фазе в большей степени зависит качество готовой продукции [3, 4].

Контрольные вопросы

1.Что такое дыхание дрожжей?

2.Что такое спиртовое брожение?

3.Особенности метаболизма дрожжевых клеток.

4.Основные стадии роста дрожжевой клетки

21

3.ОСОБЕННОСТИ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ

3.1.ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

ИСОСТАВА СРЕДЫ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ДРОЖЖЕЙ

Основными параметрами, влияющими на жизнедеятельность клетки, являются такие факторы внешней среды как температура, рН, формольное число, степень аэрации раствора, концентрация питательных веществ, концентрация химических соединений, дополнительно вводимых в питательную среду.

Температура. Дрожжи Saccharomyces относятся к мезофильным микроорганизмам с температурным оптимумом 36-34 °С. В зависимости от расы в диапазоне температур 20-36 °С удельная скорость роста биомассы повышается прямо пропорционально повышению температуры. При температуре более 36 °С удельная скорость роста Saccharomyces резко падает и практически прекращается при 40 °С. При этой температуре Saccharomyces продолжают активно расти. Подъемная сила хлебопекарных дрожжей наилучшая при температуре около 30 °С. Повышение температуры культивирования приводит к уменьшению выхода дрожжей в результате снижения содержания в них влаги, в связи с этим уменьшается масса дрожжевой клетки, а также усиливается размножение посторонних видов дрожжей и бактериальной микрофлоры. Развивающаяся бактериальная микрофлора быстро потребляет питательные вещества из субстрата, которые предназначены для дрожжей. Это также снижает выход Saccharomyces. Дрожжи погибают при 45-50 °С в зависимости от расы. Низкие температуры не убивают дрожжи, а приостанавливают их жизнедеятельность, поскольку наступает состояние анабиоза с восстановлением у дрожжей нормальных функций при наступлении благоприятных условий. Дрожжи хорошо переносят отрицательные температуры и свежие прессованные дрожжи в замороженном состоянии могут храниться продолжительное время. Однако оттаивание и повторное замораживание убивает дрожжи.

22

Влияние рН. Дрожжи сохраняют свою активность при рН 2,5-6,5. Оптимальное значение рН питательной среды для размножения дрожжей 4,5-5,5. Зависимость скорости роста дрожжей от активной кислотности среды (рН) объясняется тем, что от рН зависит скорость поступления веществ в клетку, активность ферментов в синтезе белка, скорость образования витаминов. Необходимо в первые часы размножения дрожжей поддержать рН примерно 4,5-4,6, а к концу процесса размножения повышать рН до 5,0-5,5. Такое изменение рН культуральной среды позволяет увеличить выход дрожжей при их максимальной подъемной силе. В период быстрого роста биомассы и при использовании для инкубации дрожжей аммонийного азота рН культуральной среды резко понижается. В этом случае при понижении рН ниже 4,0 доводить рН до нормы необходимо введением в

дрожжерастильный аппарат гидроксида аммония вместо сульфата аммония, который служит источником азота для дрожжей. Чтобы предотвратить излишнее подщелачивание среды подачу гидроксида аммония и сульфата аммония постоянно регулируют в соответствии со скоростью роста и размножения дрожжей.

Формольное число – показатель, с помощью которого в питательной среде определяют количество усваиваемого азота, который используется клетками для формирования собственного белка. Недостаток азота в культуральной жидкости тормозит синтез биомассы и уменьшает скорость роста дрожжей. Поэтому для каждого способа производства хлебопекарных дрожжей существует свой оптимальный показатель формольного числа.

В процессе культивирования дрожжей возможно резкое изменение формольного числа, вызванное быстрым потреблением азотистых соединений клетками или наоборот, его увеличение в связи с разбалансированием системы производства. В обоих случаях для оптимизации формольного числа в питательную среду вводится сульфат аммония или гидроксид аммония. Если кислотность питательного раствора резко увеличивается, то вводят гидроксид аммония, если уменьшается – сульфат аммония. В конце стадии инкубации фор-

23

мольное число уменьшают, т.е. уменьшают количество подаваемых азотистых соединений. На заключительном этапе инкубации на стадии дозревания дрожжей формольное число делают минимальным.

Влияние концентрации питательных веществ культуральной среды. Скорость роста дрожжей обусловливается осмотическим давлением водорастворимых веществ среды и концентрацией клеточного сока дрожжей. Осмотическое давление внешней среды должно быть ниже, чем осмотическое давление клеточного сока. Это способствует лучшему усвоению питательных веществ дрожжевой клеткой. Чем больше разница между осмотическими давлениями в клетке и в питательной среде, тем быстрее накапливается биомасса дрожжей.

Концентрацию питательной среды в дрожжевом производстве характеризуют с помощью кратности разбавления.

Кратность разбавления – отношение массы мелассы в питательной среде к массе воды, в которой она растворена.

Кратность разбавления влияет на выход и качество готовой продукции. В зависимости от стадии выращивания дрожжей мелассное сусло, используемое для питания клеток, готовят с различной кратностью разбавления. На начальных стадиях производства, когда необходимо получить физиологически активные дрожжи, способные к быстрому размножению и сбраживанию углеводов, их культивацию начинают в слабо разбавленных растворах (1:5 до 1:7) при слабой аэрации раствора воздухом или кислородом. В таких условиях небольшая часть сахаров тратится на образование этанола. Практически все углеводы используются на размножение.

На конечной стадии для получения наибольшего выхода дрожжей их выращивают в более разбавленных средах (1:10, 1:20) и при интенсивной аэрации. Особенностью дрожжевого производства является то, что содержание сахаров в питательной среде должно точно соответствовать скорости размножения дрожжевых клеток. Для этого питательные среды вводят в дрожжерастильные аппараты не однократно, а ее постоянным притоком по мере потребления дрожжами, что позволяет получать максимальный выход дрожжей.

24

Аэрация культуральной среды. В процессе своего роста дрожжи постоянно расходуют кислород на дыхание и синтез различных веществ клетки. Кислород, растворенный в питательной среде, проникает в дрожжевые клетки в результате разности его концентраций в питательной среде и внутри клетке. Чем быстрее потребляется кислород, тем быстрее растут клетки. Механизм действия кислорода заключается в подавлении спиртового брожения и активации процессов дыхания, с помощью которых дрожжи получают энергию для биосинтеза. Поэтому в анаэробных условиях культивирования дрожжей преобладает спиртовое брожение с минимальными затратами углеводов на биосинтез и с максимальными затратами на образование углекислого газа.

В аэробных условиях, наоборот, практически все сахара питательной среды тратятся на синтез биомассы дрожжей, а спиртовое брожение минимально. Торможение спиртового брожения кислородом носит название эффекта Пастера. Этот эффект и используют в промышленном дрожжевом производстве, т.к. он позволяет при интенсивной аэрации среды наиболее эффективно использовать сахара питательного раствора на синтез биомассы дрожжей.

Для максимального выхода дрожжей необходимо, чтобы при постоянном расходе воздуха в мелассном сусле было не менее 1,5 г растворенного кислорода на 1 г инвертного сахара. Такое количество кислорода в раствор ввести невозможно ввиду его растворимости. Поэтому этим и ограничивается возможность использования при выработке дрожжей более концентрированного мелассного сусла. Оптимальной концентрацией кислорода в питательной среде считается концентрация, которая создается при пропускании через 1 м3 сусла примерно 100-170 м3/ч воздуха. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности клеток аэрация культуральной жидкости воздухом должна быть непрерывной, т.к. даже кратковременное прекращение подачи кислорода резко понижает скорость роста дрожжей, потому что все ферментные системы клетки перестраиваются с дыхания на брожение и скорость роста дрожжей падает. Поэтому съем дрожже-

25

вой массы с единицы объема дрожжерастильного аппарата снижается и достаточно трудно восстановить режим размножения клеток, т.к. обратная переориентация ферментных систем клеток на синтез биомассы происходит медленно и требует времени.

Выход биомассы также зависит от равномерности распределения питательных веществ и кислорода по всему объему дрожжерастильного аппарата. Это зависит от конструкции воздухораспределительной системы и системы подачи питания. При неоптимальных конструкциях этих систем не будет обеспечиваться потребность дрожжей в кислороде и питании по всему объему аппарата. Поэтому выход дрожжевой массы будет низким.

Влияние химических веществ. По своему действию на дрожже-

вые клетки все химические вещества, применяемые в производстве, делятся на ингибирующие и стимулирующие рост и размножение.

К ингибирующим скорость роста относятся остатки серной, сернистой и азотистой кислот, фтор, мышьяк и оксид серы (IV), а также летучие кислоты. При переработке сырья, содержащего эти вещества, снижается скорость роста дрожжей, уменьшается выход дрожжевой массы и ухудшается качество продукта. На скорость роста также негативно влияют различные дезинфицирующие вещества, которые применяют на производстве при плановой дезинфекции оборудования (формалин), т.к. даже небольшие количества этих веществ снижают скорость роста дрожжей и приводят к их гибели. Поэтому при дезинфекции оборудования вся технологическая аппаратура и коммуникации должны быть тщательно отмыты от этих веществ.

Наиболее часто для стимулирования роста дрожжевых клеток используются следующие вещества: кукурузный экстракт, дестиобиотин, карбоксилин, природные соединения – каменид, сильвенит. Введение этих веществ позволяет увеличить выход дрожжей примерно на 10 %.

Влияние состава питательной среды. Питательной средой в производстве является осветленный раствор мелассы. При выращивании дрожжей питательную среду подготавливают таким образом, чтобы обеспечить растущие молодые дрожжевые клетки всеми ком-

26

понентами, входящими в состав клетки и теми веществами, которые способствуют их быстрому росту и размножению. Для питания дрожжей необходимы углерод, азот, фосфор, калий, магний, микроэлементы и ростовые вещества. Причем добавление соединений азота и фосфора производится в таком количестве, чтобы товарные дрожжи содержали 6-7 % азота и 3-4,5 % оксида фосфора (V) в пересчете на сухое вещество.

Источником углерода для дрожжей является содержащиеся в мелассе легко усвояемые моно- и дисахариды (глюкоза, фруктоза, сахароза), а также спирты, альдегиды, органические кислоты.

Азотистым питанием могут быть как органические соединения азота, так и неорганические, при этом необходимо учитывать, что протеины и высокомолекулярные углеводороды дрожжами не усваиваются, т.к. дрожжи не содержат ферментов, гидролизующих эти вещества. Однако дрожжи усваивают продукты распада белков, к которым относятся аминокислоты, амиды, аммонийные соединения. Нитраты дрожжи не потребляют.

Большую роль в питании дрожжей играют микроэлементы – железо, медь, марганец, цинк, алюминий. Поэтому присутствие этих элементов в питательной среде является обязательным.

Для развития дрожжей необходимы ростовые вещества, особенно биотин. Все сахаромицеты не способны синтезировать биотин, необходимый им для развития. Поэтому они потребляют его из питательной среды.

В качестве стимулятора роста используют кукурузный экстракт, дрожжевой автолизат, дестиобиотин. Кукурузный экстракт добавляют в количестве 6 % к массе мелассы, в таком же количестве – автолизат дрожжей, а дестиобиотин добавляют 400 мл на 1 т мелассы [1, 5].

3.2. РЕЖИМЫ ПОДАЧИ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ И ВОДЫ

На получение качественных дрожжей сильно влияет не только общая обеспеченность процесса всеми необходимыми веществами, но и правильное их распределение по всему циклу культивирования. Для обеспечения высокой скорости роста все соли, содержащие ка-

27

лий, магний и микроэлементы, а также ростовые вещества вносятся при первоначальной загрузке дрожжерастильного аппарата. А углеводное, азотистое и фосфорное питание вводится постепенно в процессе культивации притоком, при соблюдении равновесия между приростом размножающихся дрожжей и скоростью подачи питания с обеспечением достаточного аэрирования культуральной жидкости воздухом или кислородом.

Отсутствие сбалансированного питания нарушает формирование ферментных систем клетки, что снижает скорость их роста и ухудшает качество. Существует много различных режимов подачи питательных веществ в дрожжерастильные аппараты, а для их точного дозирования используются системы автоматической подачи. В основу этих систем положены программы, с помощью которых осуществляется жесткий режим подачи питательных веществ в зависимости от изменения какого-либо параметра культивации. Однако недостатком системы является то, что ни один из них не позволяет получить 100 % выход биомассы, т.к. ни одна программа не может учесть все факторы, влияющие на размножение дрожжевых клеток. Из подобных программ наиболее качественной является система автоматизированного дозирования следящего типа, в которой по содержанию спирта в воздухе дрожжерастильного аппарата осуществляется дозирование питания и аэрация среды. Наиболее современной системой автоматического дозирования является система подача питательных веществ по остаточному содержанию кислорода в культуральной жидкости и подача углеводного питания по приросту биомассы.

Помимо режимов подачи основного питания на скорость роста дрожжей влияет режим подачи воды. Всю технологическую воду подают либо при первоначальной загрузке дрожжерастильного аппарата, либо в процессе инкубации постоянным ее притоком. Скорость роста дрожжей выше при режиме подачи воды притоком, т.к. этот режим позволяет поддерживать оптимальную температуру культуральной среды, отводя избыточное тепло, выделяемое дрожжевыми клетками в процессе своего роста [7].

28

3.3. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ

Взависимости от способа культивирования дрожжей показатели,

спомощью которых оценивается этот процесс, будут различными. Однако к общим показателям относятся следующие:

−удельная скорость роста (µ);

−продолжительность генерации (q);

−продуктивность процесса (Q);

−кратность разбавления (KR);

−скорость разбавления (L).

В общем случае интенсивность накопления биомассы характеризуют с помощью показателей удельной скорости роста и скорости размножения дрожжевых клеток.

Скорость роста характеризует увеличение массы клетки, а скорость размножения – частоту их почкования. Однако поскольку могут использоваться различные дрожжерастильные аппараты, для оценки скорости роста используется показатель – удельная скорость роста, который характеризует прирост биомассы в единицу времени. Удельная скорость роста находится как логарифм отношения количества биомассы m1, полученной за время t, к количеству дрожжей m0, засеянных на размножение в дрожжерастильный аппарат:

.

(1)

Для оценки скорости размножения клеток используется показатель продолжительности генерации – это время, в течение которого отпочковавшаяся молодая клетка дрожжей вырастает до величины, свойственной данной расе дрожжей, и начинает сама почковаться:

Скорость роста дрожжей зависит от применяемой расы дрожжей и от таких параметров процесса как температура дрожжеращения, активная кислотность среды, способы и скорость подачи питательных ве-

29

ществ, количество засеваемого в дрожжерастильный аппарат материала и продолжительность процесса дрожжеращения. Необходимо также учитывать, что при производстве дрожжей, предназначенных для сушки, скорость их роста должна быть невысокой, а для получения прессованных дрожжей, наоборот, высокой. Величина удельной скорости роста зависит от наличия в культуральной среде требуемых количеств всех компонентов, необходимых для жизнедеятельности клетки, расовых особенностей дрожжей, качества маточных дрожжей, используемых при начальной загрузке дрожжерастильного аппарата, обеспеченности клеток при их росте и размножении кислородом, присутсвия в культуральной среде ингибиторов и активаторов роста.

С помощью удельной скорости роста определяют почасовой расход питательной среды и продуктивность накопления биомассы, которую рассчитывает по формуле:

где Q – количество дрожжей, полученных за 1 час с единицы объема дрожжерастильного аппарата, кг/ч×м3;

х – концентрация дрожжей, кг/м3.

В настоящее время на большинстве заводов дрожжи выращивают периодическим способом, для которого основными показателями являются кратность разбавления среды, удельная скорость роста, скорость разбавления и количество стадий выращивания дрожжевой массы.

Кратность разбавления показывает, во сколько раз разбавлена меласса в культуральной жидкости, подаваемой в дрожжерастильный

где Vn – объем культуральной среды в дрожжерастильном аппарате, м3; М – масса неразбавленной мелассы, содержащейся в подаваемой культуральной среде, кг.

От величины кратности разбавления зависит съем биомассы с одного дрожжерастильного аппарата. Кратность разбавления обычно составляет 10-12 в Российской Федерации и 10-14 на зарубежных за-

30