Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Применение бактериальных заквасок, стартовых культур и биопрепаратов. Учебно-методическое пособие
.pdf
и Lactobacillus delbruekii ssp. bulgaricus в заквасках, используемых
для производства йогуртов, показано взаимное положительное
влияние, которое описано как «ассоциативный рост».
Поскольку и Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbruekii
ssp. bulgaricus могут расти в молоке как отдельные культуры, термин
«симбиоз» здесь правильнее заменить термином «ассоциативный
рост». При использовании смешанных культур йогурта Streptococcus
thermophilus и Lactobacillus delbruekii ssp. bulgaricus скорость кислотообразования выше, чем при использовании отдельных штаммов. Количество Streptococcus thermophilus в смешанной культуре
значительно выше, чем в случае роста изолированной культуры
(для Lactobacillus delbruekii ssp. bulgaricus такие различия отмечены
не были). Взаимодействие между этими двумя микроорганизмами
зависит главным образом от образования валина культурой Lactoba-
cillus delbruekii ssp. bulgaricus, однако из-за изменений в химическом
составе молока в течение года в дефиците могут также оказаться
другие аминокислоты.
Lactobacillus delbruekii ssp. bulgaricus продуцирует большее количество протеолитических ферментов, чем S. thermophilus. Сообщается,
что исходные, не содержащие клеток экстракты йогуртовых лактобактерий стимулируют рост S. thermophilus. Образование кислоты
увеличивается при добавлении пептона, аминокислот и в меньшей
степени водорастворимых витаминов, пуринов и пиримидинов.
Среда на обезжиренном молоке, не содержащая растворимый азот,
тормозит рост S. thermophilus. Рост S. thermophilus стимулируется
пептидами, содержащими лизин; гепта- или пентапептидами, содержащие гистидин, метионин и глутаминовую кислоту; гидролизатом казеина; добавлением солей магния.
Повышенная активность лактобацилл благоприятно действует на стрептококки, которые взамен обеспечивают некоторые
вещества, стимулирующие рост Lactobacillus delbruekii ssp. bulgari-
cus. Потребление глутаминовой кислоты штаммами S. thermophilus
зависит от энергии, т. е. есть от лактозы, глюкозы и сахарозы,
а аспарагиновая кислота дает ингибирующий эффект.
В анаэробных условиях S. thermophilus продуцирует муравьиную
кислоту, которая стимулирует Lactobacillus delbruekii ssp. bulgaricus.
41
Присутствие в молоке муравьиной кислоты увеличивает отношение
палочек к коккам при концентрации (30–50) × 10
–6
г/мл.
Углекислый газ, образуемый S. thermophilus, по мнению ряда
исследователей, стимулирует рост Lactobacillus delbruekii ssp.
bulgaricus, так как часть образуемого стрептококками углекислого
газа исчезает при смешанном росте с лактобациллами. В то же время отмечается, что СО
и гидрокарбонат натрия стимулируют рост
2
S. thermophilus и оказывают заметное влияние на метаболические
функции микроорганизма.
S. thermophilus вырабатывает также другие вещества, стимулирующие рост Lactobacillus delbruekii ssp. bulgaricus, – пируват и Н
2СО3
К стимулирующим рост лактобацилл веществам относятся также
пурин, аденин, гуанин, урацил и аденозин, ортофосфат и триполифосфат натрия, щавелево-уксусная и фумаровая кислоты и цистеин
в концентрации не менее 50 мг/л. Кроме этого, способствовать
росту заквасочных культур для йогурта могут также присутствие
психротрофных бактерий в молоке.
Также наблюдается ассоциированный рост S. thermophilus и
L. helveticus или L. acidophilus, а бифидобактерии стимулируют рост
культур заквасок йогурта.
2.5.4. Образование экзополисахаридов
молочнокислыми бактериями
.
На современном этапе развития пищевой биотехнологии особый
научный и практический интерес представляют культуры, синтезирующие экзополисахариды (ЭПС), которые улучшают реологические показатели пищевых продуктов, кроме того, они выступают
в роли факторов, способствующих адгезии полезных микроорганизмов на стенках кишечника. Особый интерес к ЭПС-активным
культурам пробиотических микроорганизмов обусловлен тем, что
на международном уровне молочнокислым и бифидобактериям
присвоен высокий статус безопасности, что подтверждает возможность применения ЭПС-продуцирующих штаммов этих микроорганизмов в производстве безопасных продуктов питания.
Из-за высокой водосвязывающей способности ЭПС способствуют уменьшению количества выделяющейся сыворотки во время
42
Рис. 9. Лактобактерии плантарум
(Lactobacillus plantarum), продуцирующие
экзополисахарид (ЭПС), криосканирующая
электронная микроскопия
производства и в готовых продуктах, тем самым увеличивая сроки
их годности. Кроме того, ЭПС, синтезируемые микроорганизмами
(рис. 9), имеют еще несколько преимуществ по сравнению с полисахаридами растительного происхождения.
Экзополисахариды (продукт метаболизма) могут накапливаться
в результате биотехнологических процессов, протекающих при
определенных условиях, что позволяет получить полимеры с постоянными характеристиками.
В отличие от них полимеры растительного происхождения могут сильно изменяться как качественно, так и количественно в
результате влияния климатических факторов и факторов окружающей среды. Экзополисинтезирующие штаммы молочнокислых
бактерий повышают устойчивость стартовых культур к бактериофагам, обладают повышенной устойчивостью к агрессивной среде
благодаря наличию экзополисахаридной капсулы, которая служит
связующим звеном при их заселении и адгезии в кишечнике. Это
свойство повышает вероятность накопления таких штаммов в пищеварительном тракте человека.
В настоящее время большинство исследований направлено на
получение штаммов Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii
ssp. bulgaricus, Lactobacillus аcidophilus, синтезирующих ЭПС.
43
Отмечено, что использование культур, образующих ЭПС, влияет
на органолептические характеристики продукта. Присутствие ЭПС
в продукте может маскировать его вкус, приводить к снижению
синерезиса и увеличению вязкости полученного продукта.
Биотехнологические функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продуктов, как:
– антибиотики (Penicillium chrysogenum, Penicillium notatum и др.);
– гиббереллины и цитокинины (грибы родов Fusarium и Botrytis);
– каротиноиды (например, астаксантин, придающий мякоти
лососевых рыб красно-оранжевый оттенок, вырабатывают Rhaa
rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах);
– белок (представители рода Candida, Saccharomyces lipolytica);
– сыры типа рокфор и камамбер (Penicillium roqueforti, Penicillium
camemberti);
– соевый соус (Aspergillus oryzae).
К грибам относятся дрожжи и плесени (рис. 10).
Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят перед брожением. Их наличием
объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве саке
а) б) в)
Рис. 10. Виды микроскопических грибов, применяемые в пищевой
биотехнологии: а – Rhaa rhodozima, увеличение в 2000 раз;
б – Aspergillus oryzae, увеличение в 1600 раз; в – Penicillium camemberti,
увеличение в 1600 раз
44
и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи,
употребляемой в азиатских странах.
Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами
Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в пять-
семь раз больше таких витаминов, как рибофлавин, никотиновая
кислота, и отличаются повышенным в несколько раз содержанием
белка. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т. д.), органические кислоты
и антибиотики. Их применяют и в производстве сыров, например
камамбера и рокфора.
В биотехнологии грибы используют в производстве пищевых
продуктов, при получении антибиотиков и ферментов; при разложении органических соединений. Среди 70 000 видов охарактеризованных грибов наиболее широко представлены сумчатые грибы
аскомицеты (около 20 000 видов). В качестве примеров рассмотрим
Penicillium notatum и Aspergillus niger. Очень важны в биотехнологии
представители фикомицетов – грибы родов Rhizopus и Mucor. Среди
грибов встречаются патогенные для человека виды (их около 300).
Все грибы – гетеротрофы. Их клеточная стенка содержит хитин,
глюкан и в некоторых случаях целлюлозу.
Вегетативное тело грибов (таллом) состоит из мицелия – системы ветвящихся нитей (гифы). При бесполом размножении на концевых выростах мицелия образуются конидиеносцы. В конидиях
происходит деление и высвобождение спор, из которых формируется мицелий. Как и многие другие грибы, аскомицеты способны к
половому размножению. У них существуют две различающиеся по
облику формы (явление диморфизма), что существенно затрудняет
их классификацию. Гифы формируют мужские и женские половые
органы (антеридии и аскогонии соответственно); после протекания
плазмогамии образуются дикариотические гифы, дающие начало
аскокарпу (плодовому телу). Затем в концевых клетках дикариотических гиф два ядра сливаются и формируют диплоидную зиготу
(этот процесс называется кариогамией). После мейоза образуются восемь аскоспор (у аскомицетов) или четыре базидиоспоры
(у базидиомицетов), из которых в дальнейшем вырастает мицелий.
45
С экономической и экологической точек зрения дрожжи являются наилучшими продуцентами белков и биологически активных
веществ (БАВ). Их преимущество заключается прежде всего в «технологичности», поскольку дрожжи без особых сложностей можно
культивировать в промышленных условиях.
Дрожжи характеризуются высокой скоростью роста, устойчивостью к посторонней микрофлоре, способны усваивать многие
источники питания, легко отделяются от культуральной жидкости,
не загрязняют воздух спорами. Клетки дрожжей содержат до 25 %
сухих веществ. Наиболее ценный компонент дрожжевой биомассы – белок, который по составу аминокислот превосходит белок
зерна злаковых культур и лишь немного уступает белкам молока
и рыбы. Биологическая ценность дрожжевого белка определяется
наличием значительного количества незаменимых аминокислот.
По содержанию витаминов дрожжи превосходят все белковые
корма, в том числе и рыбную муку. Кроме того, дрожжевые клетки
содержат микроэлементы и большое количество жира, в котором
преобладают ненасыщенные жирные кислоты.
Интерес представляют и дрожжи, обладающие гидролитическими ферментами, способные расти на полисахаридах без их предварительного гидролиза. Использование таких дрожжей позволит
избежать дорогостоящей стадии гидролиза полисахаридсодержащих отходов. Ведутся поиски и таких дрожжей, которые могли
бы расщеплять нативную целлюлозу. Целлюлазы обнаружены у
нескольких видов дрожжей, в частности, у Trichosporon pullulans.
Однако активность этих ферментов низкая, поэтому о промышленном использовании таких дрожжей говорить пока не приходится.
Систематика дрожжей, применяемых в бродильных производствах. Большинство микологов в своих работах используют со-
временную классификацию Крегера Ван Рэя, согласно которой
дрожжи, применяемые в хлебопечении, пивоварении, виноделии и
производстве спирта, относятся к царству грибов Mycota, к отделу
Eumycota, к классу Ascomycetes, семейству Saccharomycetaceae, к роду
Saccharomyces, виду cerevisiae.
46
Дрожжи – это группа грибов, не имеющих типичного мицелия и размножающихся почкованием. К дрожжам относят представителей различных классов грибов. Дрожжи – гетеротрофные
организмы, предпочитающие для роста кислые среды (рН 3,5–5).
Клеточная стенка этих организмов содержит глюкан и маннан.
Тот факт, что дрожжи, используемые в бродильных производствах, относятся к одному роду и виду, исключает необходимость
рассматривать их в отдельности при изучении закономерностей
роста и размножения.
Биопродукты, синтезируемые дрожжами. В последние десятилетия перечень биотехнологических процессов, в которых используются дрожжи, значительно увеличился. Более разнообразны и
перспективы использования дрожжей: в различных разработках,
патентах упоминается более чем о 200 видах биопродуктов, синтезируемых дрожжами. В настоящее время дрожжи используются
для получения различных ферментных препаратов, органических
кислот, полисахаридов, многоатомных спиртов, витаминов и витаминных добавок, а также во множестве других мелкомасштабных
процессах. Промышленно важные органические кислоты, продуцируемые микроорганизмами, являются либо конечными продуктами
(молочная, масляная, пропионовая кислоты у анаэробных бактерий), либо интермедиатами метаболизма дрожжей и грибов. В наибольших масштабах производится лимонная кислота, продуцентом
которой в основном является Aspergillus niger, культивируемый на
мелассе. Однако лимонную кислоту можно получать, культивируя
дрожжи и на более дешевых субстратах, таких как парафины нефти
или этанол. Разработаны технологии получения и многих других
кислот, в частности изолимонной, продуцентом которой является
Candida catenulata, фумаровой Candida hydrocarbofumarica, яблочной
Pichia membranaefaciens и др.
Из дрожжевых полисахаридов наиболее известен пуллулан, который синтезируется дрожжеподобным грибом Aureobasidium pullu-
lans. Он представляет собой β-глюкан, в котором мальтотриозные
остатки соединены между собой β (1 → 6) гликозидными связями.
Пуллулан используется в основном в пищевой промышленности
47
в качестве пленочного покрытия. Возможно получение разнообразных по строению и свойствам полисахаридов и из других
видов дрожжей. Значительное количество внеклеточных полисахаридов синтезируют дрожжи Cryptococcus, Rhodotorula, Lipomyces.
Многоатомные спирты (глицерин, ксилит, эритрит, арабит) широко
применяются в химической и пищевой промышленности. Перспективным считается способ получения сахароспиртов, таких как
глицерин, эритрит и ксилит, при котором используются в качестве
продуцента ксеротолерантные дрожжи рода Zygosaccharomyces. Эти
дрожжи способны расти в средах с высоким осмотическим давлением, синтезируя при этом большое количество внутриклеточных
полиолов, которые служат осмопротекторами. Другой способ касается получения ксилита – важного полиола для пищевой промышленности.
Использование микробной биомассы для обогащения кормов
белком и незаменимыми аминокислотами в условиях интенсивного животноводства – одна из важных проблем будущего, так как
человечество развивается таким образом, что оно вряд ли сможет
обеспечить себя пищей традиционными методами. Выращивание микроорганизмов не зависит от климатических и погодных
условий, не требует посевных площадей, поддается автоматизации. Содержание белка в клетках некоторых штаммов дрожжей
2
составляет от половины до
/3 сухой массы, на долю незаменимых
аминокислот приходится до 10 % (в белках сои, богатых лизином,
его содержится не более 6 %).
В биотехнологии наиболее важными являются следующие виды
дрожжей: Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Candida albicans,
Schizosaccharomyces pombe, Hansenula polymorpha и Pichia pastoris.
Saccharomyces cerevisiae могут размножаться как в гаплоидной,
так и в диплоидной форме, поэтому они являются излюбленным
объектом для генетических исследований. Бесполое (вегетативное)
размножение осуществляется почкованием гаплоидных или диплоидных клеток. При половом размножении происходит слияние
двух гаплоидных клеток, в результате мейоза образуются четыре
гаплоидные аскоспоры. Выводы о генетических изменениях можно
48
делать, исходя из визуального анализа аскоспор (тетрадный анализ),
поскольку и в гаплоидной, и в диплоидной формах эти дрожжи –
неприхотливая и устойчивая культура, для которой в оптимальных
условиях время удвоения составляет всего 90 мин.
S. cerevisiae – очень ценный объект для молекулярно-генетических экспериментов. В биотехнологии они используются в пищевой промышленности для производства алкогольных напитков,
этанола, а также для промышленного получения рекомбинантных
белков, например ά-интерферона, и различных вакцин, в том числе
поверхностного антигена вируса гепатита В.
В отличие от систем экспрессии с использованием E. coli, в клет-
ках S. cerevisiae белки претерпевают пространственную модифика-
цию (например, гликозилирование), поэтому дрожжи используют
для получения эукариотических белков, для функционирования
которых необходимы такие модификации.
Candida utilis – представитель группы дрожжей, который формирует мицелий и размножается исключительно почкованием.
Штаммы C. utilis применяют в биотехнологическом производстве
внеклеточных ферментов, а в сельском хозяйстве – в качестве
кормовой добавки. Некоторые представители рода Candida для
человека патогенные (Candida albicans).
Клеточный цикл дрожжевых клеток. В дрожжевой суспензии,
как правило, все клетки разновозрастные. В популяции встречаются почкующиеся, молодые, зрелые (основные), мертвые клетки,
поэтому суспензию характеризуют как «неоднородная» (рис. 11).
Рис. 11. Ранжирование клеток по физиологическому состоянию
49
Возрастные морфологические признаки можно выявить при
микроскопировании дрожжевой популяции (рис. 12).
Молодые и старые клетки имеют разную физиологическую
активность, что немаловажно учитывать при брожении (табл. 5).
Физиологически более активными являются клетки без вакуо-лей или с многопузырчатыми вакуолями. По мере роста вакуолей уменьшается поверхность мембран цитоплазматической сети,
которая принимает активное участие в питании и размножении
дрожжей, поэтому ее сокращение приводит к старению клетки, снижению интенсивности протекающих в ней обменных процессов.
Физиологически малоактивными являются клетки с утолщенной клеточной стенкой. Утолщение клеточной стенки происходит
в случае дисбаланса между углеродом, азотом и фосфором в питательной среде, а также при наличии в ней ингибиторов роста.
Дрожжи играют в молочной промышленности двоякую роль:
одни виды принимают участие в производстве ферментированных
молочных продуктов в качестве биологических объектов, вызывающих спиртовое брожение; другие виды способствуют порче
молочных продуктов.
Дрожжи, присутствующие в молочных продуктах, условно подразделяют на три группы:
– дрожжи, сбраживающие лактозу; к ним относятся спорогенные (спорообразующие) дрожжи видов Saccharomyces lactis, Zygosac-
charomyces lactis, Kluyveromyces fragilis, Debaryomyces и аспорогенные
а)
Рис. 12. Микропрепараты дрожжевых клеток (Saccharomyces cerevisiae):
а – неокрашенный препарат, увеличение в 400 раз; б – препарат,
окрашенный раствором метиленового синего, увеличение в 1200 раз;
в – препарат, окрашенный раствором Люголя, увеличение в 600 раз
50
б)
в)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]