Загальна характеристика дріжджів

Цукри сусла зброджують у спирт дріжджами Saccharomyces cerevisiae, які є одноклітинними мікроорганізмами класу аскоміцетів (сумчастих грибів.)

У звичайних умовах дріжджі розмножуються брунькуванням і дуже рідко (при великому дефіциті живильних речовин) спороутворенням.

Дріжджові клітини бувають яйцевидної, еліпсоїдальної, овальної або витягнутої форми, яка, як і їхня довжина (6-11 мкм), залежить від виду дріжджів та умов їх розвитку. Відношення поверхні клітини до її об'єму впливає на швидкість масооб-мінних процесів між клітиною і живильним середовищем, а отже І на інтенсив­ність життєдіяльності дріжджів.

Наприклад, відношення поверхні клітини до її об'єму дріжджів Saccharomyces cerevisiae раси XII дорівнює 0,46, термотолерантних дріжджів Saccharomyces cerevisiae К-81 - 0,5-0,62, дріжджів Schizosaccharomyces pombe - 0,46. Дріжджі раси К.-81 нако­пичують більше біомаси дріжджових клітин, ніж дріжджі раси XII, при різних зна­ченнях рН середовища (3,2-4,2) і оптимальній температурі для кожної із них.

Дріжджова клітина складається із оболонки, цитоплазми та ядра. Зовнішня частина оболонки утворена поліцукридами типу геміцелюлоз, переважно мананом і невеликою кількістю хітину, внутрішня частина - білковими речовинами, фосфо-ліпідами та ліпоїдами. Оболонка регулює стан клітинного вмісту і має селективну проникливість, тим самим суттєво відрізняється від звичайних напівпроникних мем­бран. Товщина клітинної стінки дріжджів до 400 нм.

Цитоплазматична мембрана (плазмалема) має товщину 7-8 нм, розміщена під клітинною стінкою і відділяє її від цитоплазми. Плазмалема - основний бар'єр, який визначає осмотичний тиск у клітині, - забезпечує вибіркове пересування живильних речовин із середовища в клітину та вивід метаболітів із клітини. Плазмалема склада­ється із бімолекулярного шару ліпідів, у який включені білкові молекули. Ліпіди орі­єнтовані неполярними кінцями усередину, один до одного, а полярними - назовні.

Переміщення речовин через цитоплазматичну мембрану проходить внаслідок молекулярної дифузії (по градієнту концентрації) і в результаті активного руху, у якому беруть участь специфічні ферменти, в цьому випадку речовини можуть по­ступати в клітину і проти градієнта концентрації. Наприклад, амінокислоти легко проникають у клітину із середовища, навіть якщо їх концентрація в цитоплазмі в 100-200 разів вища, ніж у живильному середовищі.

Цитоплазма має гетерогенну структуру і в'язку консистенцію. Колоїдний ха­рактер її зумовлений білковими речовинами. Крім них, у цитоплазмі містяться ри-бозонуклеопротеїди, ліпоїди, вуглеводи та значна кількість води. Цитоплазма мо­лодих клітин зовні гомогенна. При старінні у них з'являються вакуолі, рівномірна

зернистість, жирні та ліпоїдні гранули. У цитоплазмі із її органоїдами (хондріосо­мами, мікросомами, вакуолями) та включеннями проходять важливіші фермента­тивні процеси.

Митохондрії (хондріосоми) мають форму зернинок, паличок або ниток. Ми-тохондріальні мембрани складаються із білків (80%) та ліпідів (20%).

У склад митохондрій входять також поліфосфати, РНК та ДНК. Мітохондрії розмножуються самостійно, реплікуючи свою мітохондріальну ДНК й продукуючи свої білки. Живильні клітини, які проникають у клітину, адсорбуються і акумулю­ються хондріосомами і підлягають швидким перетворенням внаслідок концентра­ції у цих ділянках клітини відповідних ферментів. У мітохондріях повністю здійс­нюється цикл трикарбонових кислот і найважливіша енергетична реакція - окис­лювальне фосфорилювання. Тому їх вважають за основну "силову станцію" кліти­ни. Тут же відбуваються реакції активування амінокислот у процесі синтезу білка, ліпідів та інших сполук.

Мікросоми (рибосоми) -це включення у вигляді субмікроскопічних зернинок, які складаються із ліпідів, білків та рибонуклеїнових кислот (РНК), які забезпечу­ють синтез білків Із активованих амінокислот, які поступають із мітохондріальної системи.

Ядро - невелике кулясте або овальне тіло, яке оточене цитоплазмою і не­розчинне у ній. У ядерних структурах відокремлено у вигляді включень дезоксири­бонуклеїнова кислота (ДНК) та її протеїд (ДНКП) міститься велика кількість РНК. ДНК сприяє передачі спадкової інформації, збереженню властивостей мікроорга­нізмів. У ядрі здійснюється транскрипція (синтез молекул інформаційних РНК шляхом зчитування інформації із ДНК за допомогою ферменту РНК- полімерази), а також реплікація ДНК при поділі клітини.

Обов'язковий органоїд клітини вакуолі - порожнини, наповнені клітинним соком і відокремлені від цитоплазми вакуольною мембраною. Форма вакуолей змі­нюється внаслідок переміщення та концентрації цитоплазми. Вакуоль у молодих клітинах складається із безлічі мілких порожнин, у старих - із однієї дуже великої. Клітинний сік -це водний розчин різних солей, вуглеводів, білків, жирів і фермен­тів. У вакуолях зосереджені різні сполуки, які повинні підлягати ферментативним перетворенням, утворюються продукти життєдіяльності та відходи.

У молодих дріжджових клітинах жиру, як правило, немає, у дозрілих він міс­титься тільки у небагатьох клітинах у вигляді мілких крапельок, у старих - великих крапель.

Глікоген - запасна живильна речовина дріжджів, яка накопичується при куль­тивуванні дріжджів на середовищах, які багаті цукром, а при нестачі його швидко витрачається. У молодих клітинах глікогену мало, у дозрілих - значна кількість (до 40%).

По зовнішньому вигляду клітин можна визначати фізіологічний стан дріжджів. У промислових середовищах одночасно присутні молоді та дозрілі клітини, кліти­ни, які брунькуються, і клітини, які відмерли. Найбільшу бродильну енергію ма­ють дозрілі клітини.

Вимоги до дріжджів, які використовують у виробництві спирту: висока бро­дильна енергія (дріжді повинні швидко і повністю зброджувати цукри), анаероб­ний тип дихання, стійкість до продуктів свого обміну та продуктів обміну сторон­ніх мікроорганізмів, а також до змін складу середовища, здатність переносити ве­лику концентрацію солей та сухих речовин сусла, при переробці меляси повністю зброджувати рафінозу. Якщо дріжджі виділяють із дозрілої бражки і використову­ють їх як хлібопекарські, то вони повинні мати високу регенеративну здатність і відповідати вимогам до хлібопекарських дріжджів по стійкості при зберіганні, під­йомній силі, зимазній та мальтазній активності.

На спиртових заводах, які переробляють мелясу, використовують дріжджі Saccharomyces cerevisiae раси Я, якщо дріжджі використовують як хлібопекарські -расу Лохвицьку (Ял) і Угорську (В). Ці дріжджі добре зброджують цукрозу, глюко­зу, фруктозу і тільки 1/3 рафінози, тому при великому вмісті рафінози у мелясі є значний недовихід спирту,

Для зброджування сусла із меляси на деяких заводах використовують дріжджі раси V-30. Вона має високу генеративну здатність, може зброджувати рафінозу на 70-80%, а виділені із дозрілої бражки дріжджі мають кращі, ніж дріжджі раси В, хлібопекарські властивості. Крім того, вони здатні переносити високі концентрації сухих речовин у суслі та накопичувати у дозрілій бражці більше спирту, бо вони більш повно зброджують цукри і менше накопичують гліцерину. Мальтозна актив­ність дріжджів раси V-30 більш ніж у 2,5 рази вища у порівнянні із дріжджами раси В.

Підвищення бродильної активності дріжджів може бути досягнуто різними способами: мутагенезом, гібридизацією та ін. Для одержання дріжджів із заданими властивостями найбільш перспективним є метод гібридизації, бо при схрещуванні двох батьківських видів дріжджів можна підібрати гібриди дріжджів із заздалегідь бажаними властивостями. Таким способом було одержано ряд гібридів, які мають переваги перед дріжджами рас Я і В. Гібриди мають фермент -галактозидазу, під дією якої рафіноза повністю перетворюється у зброджувані цукри. Крім того, у деяких дріжджових гібридів підвищена генераційна здатність та кращі хлібопекар­ські властивості. Мальтозна активність гібриду 112 вища, але спирту він накопичує приблизно на 1% менше, ніж дріжджі раси В.

Гібриди 67 і 105 забезпечують однаковий вихід спирту в порівнянні Із росою В і проявляють високу генеротивну здатність. Дріжджі раси Г-67 більш стійкі до зниження рН середовища, при величині якого утворюється більше спирту внаслі­док скорочення витрат цукрози на побічні та вторинні продукти бродіння.

При зброджуванні сусла із крохмалевмісної сировини використовують дріжджі Saccharomyces cerevisiae раси XII. Вони добре зброджують мальтозу, цукрозу, глюко­зу і фруктозу, але не зброджують граничні декстрини. Гідроліз граничних декстринів продовжується під час зброджування сусла під дією декстринази солоду або глюкоа-мілази мікробного походження. Тому швидкість зброджування сусла із крохмалевмі­сної сировини лімітується швидкістю гідролізу граничних декстринів.

Велике практичне значення мають результати селекції термотолерантних рас дріжджів, які дозволяють прискорити процес вирощування виробничих дріжджів і

•----------------------------------------------------------------------------------------- Спиртові дріжджі -----------

зброджування сусла із крохмалевмісної сировини, частково гідролізувати і збро­джувати граничні декстрини, збільшити вихід спирту та зменшити витрати холодо-агента. Такими дріжджами є, наприклад, Saccharomyces cerevisiae K-81 та Schizosaccharomyces pombe 80, які виділені, досліджені та впроваджені на декіль­кох спиртових заводах співробітниками КТІХП (В.О. Маринченко, Л.В.Кисла, Т.Е. Мудрак). Оптимальна температура зброджування сусла цими дріжджами 35-36° С. У дозрілій бражці, одержаній з використанням термотолерантних дріжджів, міс­титься приблизно в 10 разів менше декстринів у порівнянні із контрольною браж­кою при використанні дріжджів Saccharomyces cerevisiae раси XII. Термотолерант-ні дріжджі раси К-81 у 2-2,5 рази більше накопичують вищих спиртів і на 40-45% менше гліцерину в порівнянні із расою XII. Дріжджі Schizosaccharomyces pombe 80 накопичують у 10 раз менше вищих спиртів у порівнянні з расою XII.

Способами генетичної інженерії одержані високоефективні раси дріжджів, які мають амілолітичну активність. Промислове використання таких дріжджів дозво­лить суттєво прискорити процес зброджування сусла та зменшити витрати оцук­рюючих матеріалів.