Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнологические основы хлебопекарного производства. Учебное пособие
.pdf
41
3. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА
ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТОК И МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ
3.1. Современные представления о биохимических
свойствах дрожжей
Дрожжи применялись в хлебопечении в те далекие времена, когда еще не было известно ни об их существовании, ни о
значении их при брожении. Хлебопекарные дрожжи в России начали выращивать в монастырях еще в 14-15 вв. В 17 в. пекари
применяли пивную гущу для разрыхления теста, для ускорения
процесса хлебопечения и улучшения качества хлеба.
С 1767 г. пивные дрожжи стали широко применяться в хлебопечении, и слава о них как об энергичном разрыхлителе хлебного теста распространилась по всему миру. В то время пекари
использовали закваску собственного производства, в некоторых
случаях добавляя в него остатки дрожжей с пивоваренных заводов. Пивные осадки представляли собой дрожжи верхового брожения. О видах и расах дрожжей ничего не было известно, растительная природа дрожжей и их состав были установлены в 18351836 гг. и несколько позднее благодаря усовершенствованию
микроскопа и появлению методов выделения чистых культур
микроорганизмов.
В 1850 г. был открыт способ производства прессованных
дрожжей для хлебопечения: это были дрожжи, получаемые на
винокуренных заводах. Дрожжи, содержащиеся в пене, из бродильных чанов по желобам, размещенным вдоль чанов, поступали в дрожжевые сборники. Затем их промывали, смешивая с холодной водой в отстойниках, и полученный осадок выпрессовывали на винтовых прессах.
Открытие Луи Пастера о влияние кислорода воздуха на
жизнедеятельность дрожжей и стремительное развитие машиностроения сделали возможным фабричное производство дрожжей.
Так, в 1872 г. в городе Марк-ан-Бароль на севере Франции появился первый дрожжевой завод Lesaffre.
При выработке хлеба из пшеничной или смеси пшеничной
и ржаной муки для осуществления процессов брожения и кисло-
42
тообразования применяют как чистые культуры (Saccharomyces
cerevisiae, S. minor, L. plantarum, L. brevis, L. fermentum и т.д.), так
и дикие формы молочнокислых бактерий, содержащиеся в значительном количестве в муке, дрожжах и др. сырье, которые начинают размножаться при создании благоприятных условий, или
специально размноженные в процессе приготовления, концентрированных молочнокислых заквасок, жидких дрожжей, опар,
густых и жидких заквасок.
В производстве хлебобулочных изделий из пшеничной сортовой муки применяют, в основном, биомассу дрожжевых клеток
Saccharomyces cerevisiae, содержащих биологически активные
вещества и обладающие ферментативной активностью. Они
обеспечивают спиртовое брожение пшеничных и ржаных полуфабрикатов и их разрыхление в анаэробных условиях.
Органические молекулы дрожжевой клетки состоят из простых исходных молекул: кетокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, пентоз, гексоз, фосфопирувата, малата, ацетата и
некоторых других. Эти соединения по строению и химическому
составу отличаются от ингредиентов среды, в которой проявляется аэробная и анаэробная жизнедеятельность.
Источники углерода в кл етке подв ергаются многоступенчатому расщеплению, при этом каждый их них индуцирует синтез « собственных» ферментов. Затем в клетке образуются биомолекулы (аминокислоты, мононуклеотиды, сахара, жирные кислоты, глицерин), т.е. ее строительные блоки. Из биомолекул синтезируются разнообразные органические и тонкоспецифические
макромолекулы, придающие дрожжевой клетке уникальные
свойства, характерные только для живого микроорганизма.
Первой отличительной особенностью дрожжевой клетки
является то, что структуры высшего порядка белков и нуклеиновых кислот в ней определяют метаболизм и жизнедеятельность.
Второй особенностью клетки, в состав которой входят
биологически важные макромолекулы, является их сложная организация. Синтез этих соединений происходит по строго спланированным схемам, обеспечивающим их специфичность. Образование новых молекул рассматриваются в настоящее время как
использование генетической информации, записанной в виде
43
последовательности оснований ДНК в хромосомах материнской
клетки. Молекула ДНК воспроизводит новую молекулу, не отличающуюся от исходной. Последовательность оснований ДНК
обеспечивает последовательность аминокислот в молекуле белка.
Сложная организация макромолекул, их строгое воспроизведение
способствуют жизнедеятельности клетки.
Третья особенность живой клетки заключается в том, что
все ее компоненты (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы) непрерывно изменяются, постоянно обн овляются, т.е. в
клетке происходит непрерывный круговорот молекул.
К биологически активным веществам, участвующим в различных биохимических процессах дрожжевой клетки, относятся
биокатализаторы – ферменты. Они обладают способностью активизировать, осуществлять и координировать биохимические превращения, проявляя строгую специфичность действия. Дрожжи
легко приспосабливаются к изменениям в составе питательной
смеси благодаря индуцированному образованию ферментов.
Согласованный биосинтез клеточных компонентов регулируется очень точными и целенаправленными механизмами регуляции ферментативных процессов. Изменение количества синтезируемых ферментов в клетке идет в результате индукции и репрессии.
Индукцией называют процесс увеличения количества соответствующего фермента в клетке под влиянием субстрата. Последний индуцирует образование ферментов обмена веществ
в процессах энергетического катаболизма.
Теория, разработанная Жакобом и Моно, дает понятие
о механизме индукции ферментов. Синтез ферментов определяют
цистроны – участки молекулы ДНК, или структурные гены. Кроме них в молекуле ДНК находятся регуляторные гены, контролирующие деятельность структурных генов и вызывающие или
прекращающие синтез белковых веществ – репрессоров. Репрес-
сией называют процесс уменьшения скорости биосинтеза какоголибо фермента или группы ферментов, катализирующих цепную
реакцию определенного процесса при помощи специальных веществ – репрессоров. При наличии в окружающей среде индуктора фермента, например, лактозы, являющейся индуктором
44
β-галактозидазы, он инактивирует репрессор, структурный ген
освобождается и происходит синтез β-галактозидазы. Такие ферменты называются индуцированными.
Таким образом, дрожжевые клетки, как и другие микроорганизмы, обладают способностью производить перестройку
внутриклеточной ферментной системы и метаболических путей
при изменении состава среды и условий жизнедеятельности.
Клетка может и не производить синтеза ферментов, необходимых
для образования данного продукта, если она получает этот продукт в готовом виде из питательной смеси. Обменные процессы
координируются и направляются посредством регуляции синтеза
клеточных ферментов.
Характер метаболизма дрожжевой клетки в значительной
степени предопределяется условиями метаболизма (составом питательной смеси) и типом жизнедеятельности.
Дрожжи и дрожжеподобные грибы относятся к двум большим группам: сумчатым и несовершенным грибам. Истинные
дрожжи относятся к классу Ascomycetes, подклассу
Endomycetales, который включает три семейства, различающиеся
между собой способом вегетативного размножения. Каждое семейство разделяется на несколько родов в зависимости от формы
спор, способа их образования и прорастания. В основу видового
различия положено отношение организма к сахарам.
Из этой группы дрожжей наиболее известен род Saccharo-
myces, включающий 41 вид. Эти дрожжи подразделяются на подгруппы. К первой подгруппе относятся дрожжевые клетки, сбраживающие глюкозу, галактозу, сахарозу, мальтозу, на 1/3 раффинозу, но не сбраживающие лактозу: спиртовые Saccharomyces
cerevisiae рас Я, В, Л, XII, XV и др.; пивоваренные – Saccharomy-
ces cerevis iae Frobeg , Saccharomyces carlsbergensis рас 11, 776, А,
44, S (Львовская); винные – Saccharomyces vini (ellipsoideus); хлебопекарные – Saccharomyc es cerevisiae рас 14 и др. Эти дрожжи
усваивают этанол, глицерин, молочную, уксусную и другие кислоты. Дрожжевые клетки имеют круглую, яйцевидную или
овальную форму шириной 5-7 мкм и длиной 8-11 мкм.
Дрожжи Sa ccharomyces c erevisiae образуют богатый и разнообразный ферментный комплекс, особенно зимазный. Но они
45
не индуцируют амилолитические и декстринолитические ферменты, фермент α-галактозидазу. Поэтому они не усваивают трисахариды и более сложные по строению олигосахариды. Они мало или вовсе не образуют внеклеточную протеиназу и пептидазу.
Дрожжи Saccharo myces cerevisiae слабо размножаются в условиях повышенного содержания спирта и не защищены антибиотическими свойствами против кислотообразующих бактерий.
Производственные культуры дрожжей должны обладать
высокой удельной скоростью роста, устойчивостью к мелассным
средам и активностью ферментов фруктофуранозидаз и глюкозидаз. Но используемые расы и штаммы дрожжей отвечают этим
требованиям в различной степени.
Раса «Томская 7» устойчива к составу мелассных сред, но
требовательна к витаминам. Дрожжи обладают высокой фруктофуранозидазной, но слабой глюкоамилазной активностью.
Раса «Одесская 14» обладает высокой генеративной активностью (большой выход биомассы), клетки устойчивы к высушиванию и стойки при хранении.
Раса «Киевская 21» устойчива к ингибиторам мелассы, не
требовательна к ростовым веществам (витамины, аминокислоты),
хорошо переносит высушивание.
Штаммы Л1, Л2, ЛЗ характеризуются высокой продуктивностью, способны конкурировать с постоянной микрофлорой,
устойчивы к повышению концентрации и температуры пищевых
сред, накапливают большое количество трегалозы, стойкие при
высушивании.
Кроме культурных дрожжей, в среде дрожжерастильных
аппаратов часто встречаются дикие дрожжи: Candida tenuis, Can-
dida curvata, Candida humicola, Candida solanii, Candida guilliermondii, Candida utilis и Torulopsis dattila. Они бедны зимазным
комплексом и слабо сбраживают сахар. Только дрожжи Candida
robusta в количестве 10 % биомассы пекарных дрожжей повы-
шают их стойкость при хранении.
46
3.2. Строение дрожжевой клетки
Дрожжевые клетки являются достаточно сложными одноклеточными организмами. Дрожжевая клетка (рис. 6) состоит из
клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, протоплазмы,
цитоплазмы и включений – ядра, митохондрий и рибосом, вакуолей и запасных веществ – волютина, гликогена и жировых капель. В дрожжевых мембранных структурах имеются аппарат
Гольджи и лизосомы.
Рис. 6. Дрожжевая клетка
Дрожжевые клетки способны вовлекать простые ингредиенты системы в процесс метаболизма. Поступление веществ из
внешней среды обеспечивают клеточная стенка дрожжевой клетки, цитоплазматическая мембрана, пиноцитоз и эндоплазматическая сеть.
Клеточная стенка является основным структурным компонентом клетки. В ее состав входят белково-полисахаридные комплексы и липиды. Часть белков находится в виде ферментов. Липиды представлены жирными кислотами, фосфолипидами и стеролами. Липидные молекулы играют важную роль в транспорте
водонерастворимых веществ.
Очень важными компонентами клеточной стенки, влияющими на ее проницаемость, являются тейхоевые кислоты –
полимеры, образуемые рибофосфатами или глицерофосфатами. В
47
отличие от цитоплазматической мембраны клеточная стенка проницаема для солей и других низкомолекулярных соединений.
Цитоплазматическая мембрана расположена непосредственно за клеточной стенкой. Она является главным определителем осмотического давления, транспорта веществ и их проницаемости и построена из бимолекулярного слоя липидов, в который
вкраплены белковые молекулы или их комплексы. Эта мембрана
характеризуется полупроницаемостью, обеспечивая поступление
веществ в клетку при снижении их концентрации в ней по сравнению с окружающей средой.
В мембранах осуществляются важнейшие функции клетки.
В них вмонтированы места инициации синтеза ДНК, цепи электронного транспорта, ферменты сопряжения окисления с фосфорилированием. Возле мембраны находятся ферменты окисления
жиров и трикарбоновых кислот. На наружной стороне мембран
расположены ферменты гликолиза, протеолиза, эстеразы и др.
Важное значение в жизнедеятельности дрожж евой клетки
имеют гидрофобные вещества: неполярные аминокислоты, витамины, стероиды. Первая функция мембран – это создание гидрофобной зоны внутри и на границе клетки. В этом случае липиды
выполняют роль гидрофобного растворителя.
Вторая функция мембран – это обеспечение построения
мультиэнзимных комплексов, включающих систему ионов натрия и калия, активируемую АТФ, цепь ферментов окислительного фосфорилирования.
Третья функция мембран – осуществлять распознавание и
связывание аминокислот и промежуточных продуктов обмена
(медиаторов), например циклического АМФ (аденозин-3,5цикломонофосфат).
Мембранные компоненты играют роль ионообменника, регулируя прохождение заряженных ионов через мембрану. Мембраны могут накапливать минеральные и органические ионы и
посредством сорбции и ионного обмена удерживать их вблизи
или на поверхности мембранных структур. Другие ионы, входящие в состав среды, мембраной будут исключаться.
Транспорт углеводов зависит от их строения, положения
+
Н
- и ОН–-групп, от степени асимметричности, от наличия ве-
48
ществ-антагонистов (проникновению глюкозы в клетку мешает
галактоза, а проникновению галактозы – мальтоза и т.д.). Распределение веществ между клетками и окружающей средой характеризует коэффициент распределения, который при равновесии
концентрации в клетках и среде равен 1.
Необходимо отметить еще одну функцию мембраны: слой
воды в несколько микрометров, примыкающий к мембране, не
перемешивается с остальным объемом раствора. Это позволяет
создать совокупность тех или иных веществ вблизи мембраны и
обеспечить дополнительное диффузионное препятствие для проникновения в клетку веществ.
Цитоплазма (протоплазма) – это внутриклеточное содержимое, состоящее в основном из коллоидов. Вязкость этой фазы
зависит от физиологических факторов клетки. В цитоплазме содержатся структурные, а также не связанные с органоидами ферментные белки, аминокислоты, рибонуклеиновые кислоты, углеводы, минеральные соли, липиды, вода и низкомолекулярные
вещества. В ней располагаются все структурные единицы клетки
и гранулы запасных веществ различной природы. Именно цитоплазма осуществляет непосредственную связь между органоидами клетки. Например, первая стадия дыхания – гликолиз и спиртовое брожение – протекает в цитоплазме, а последующий этап –
цикл трикарбоновых кислот – в митохондриях.
Эндоплазматический ретикулум расположен в цитоплазме
дрожжевых клеток. Это система каналов, пузырьков или цистерн,
связанная с цитоплазматической мембраной и ядерной стенкой –
нуклеолеммой. Функция эндоплазматического ретикулума заключается в обеспечении транспорта различных веществ ( белков,
ионов, углеводов) по кл етке. Мембраны представляют собой
большие активные поверхности, на которых локализуются различные ферментные системы. На эндоплазматической сети расположены рибосомы.
Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические
гранулы, состоящие из белка (58 % СВ) и рибонуклеиновой
кислоты РНК (42 % СВ), связанных между собой в виде надмолекулярного комплекса. В рибосомах происходит белковый синтез.
49
Аппарат Гольджи – мембранное образование, морфологически связанное с эндоплазматической сетью и с нуклеолеммой.
Роль аппарата заключается в выводе вредных веществ из клетки,
обеспечении защитных функций, транспорте веществ между другими структурными компонентами и участии в образовании новых структурных элементов. В них локализуются ферменты, катализирующие разрушение биополимеров. Мембраны аппарата
Гольджи являются местом образования лизосом. Лизосомы представляют собой электронно-плотные гранулы, которые отделены
от цитоплазмы однослойной липопротеидной мембраной. Они
защищают клетку от повреждений продуктами распада и чужеродными агентами.
Вакуоли – производные аппарата Гольджи – являются
структурой, изолирующей продукты распада и аккумулирующей
чужеродные токсические вещества. Вакуоли ретикулярного происхождения служат местом депонирования белков, липидов и
запасных веществ клетки – волютина, жира, гликогена, трегалозы, полифосфатов, сахаров и минеральных солей. Вакуоли участвуют в осмотической регуляции и являются местом различных
окислительно-восстановительных процессов.
Митохондрии – сферические или удлиненные автономные
органеллы, содержащие ферментные системы. Митохондрии покрывает оболочка, состоящая из двух мембран. На поверхности
внутренней мембраны расположены частицы, участвующие в переносе электронов. На поверхности внешней мембраны происходят окислительные реакции трикарбоновых кислот или цикла
Кребса и окисление жирных кислот. В результате деятельности
митохондрий на каждую перенесенную пару электронов образуются три молекулы АТФ – универсальных источников энергии
для жизненных процессов в клетке. В митохондриях синтезируются вещества, запасающие химическую энергию клетки. Их называют энергетической подстанцией клетки.
В клетках дрожжей, перенесенных их аэробных условий
(период культивирования) в анаэробные (период брожения в хлебопекарных полуфабрикатах), митохондрии теряют выраженную
форму и образуются мембраны неопределенной конфигурации.
50
3.3. Превращения веществ при аэробном
и анаэробном метаболизме дрожжей
Для своего развития, роста и размножения дрожжевая
клетка нуждается в веществах, растворимых в воде, из которых
она строит свою живую ткань. Эти вещества клетка разлагает, и
из продуктов распада образуются белки протоплазмы , углеводы,
жиры, фосфаты и ряд других веществ. Для жизнедеятельности
клетке нужна химическая энергия. Все остальные виды энергии
(механическая, тепловая, электрическая, световая) для этих целей
не могут быть использованы. Химическая энергия может быть
востребована только в том случае, если она получена в самой
клетке. Следовательно, энергия индуцируется из растворенных в
среде веществ, которые могут через оболочку проникнуть в клетку. Нерастворимые вещества должны быть сначала переведены в
растворимое состояние; вещества, неспособные к диффузии,
должны быть сначала разложены.
Процессы обмена веществ в дрожжевой клетке протекают с
участием биологических катализаторов, в состав которых входят
экзо- и эндоферменты. Экзоферменты выделяются клеткой для
гидролиза сложных веществ среды на простые, которые затем
проникают через пористую клеточную оболочку дрожжей
внутрь; эндоферменты не выделяются в среду и действуют внутри клетки. Различают конструктивные и адаптивные ферменты. У
конструктивных ферментов субстратом для их индукции служат
метаболиты, образующиеся в клетке в процессе ее жизнедеятельности; у адаптивных – индуктором служит субстрат, содержащийся в питательной среде.
Бóльшая часть ферментов находится внутри клетки. Эндоферменты располагаются в клеточных органоидах, но могут находиться и в цитоплазме. Ферменты, участвующие в процессе
брожения (фосфогексоизомераза, фосфогексокиназа, альдолаза,
гидролитические ферменты), содержатся в цитоплазме. Ферменты, катализирующие транспорт веществ, находятся в цитоплазматической мембране. Гидролитические ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы, нуклеазы) сконцентрированы в лизосомах. В митохондриях локализованы ферменты, катализирующие окисли-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]