 |
Влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность дрожжевой клетки.
|
|
|
|
В основе жизнедеятельности любого организма лежат процессы обмена веществ, для протекания которых требуется постоянный и непрерывный приток энергии. Большинство организмов для поддержания своей жизни используют энергию, освобождающуюся во время диссимиляции органических веществ, в первую очередь сахара.
В дрожжевой клетке диссимиляция сахара может происходить либо аэробным (дыхание), либо анаэробным (брожение) путем. Аэробное расщепление сахаров происходит по циклу Кребса. Образующаяся при этом щавелевоуксусная кислота может реагировать с аммиаком, превращаясь в аспарагиновую кислоту, являющуюся основой белковой структуры клетки. Другой путь питательного превращения углеводов – пентозофосфатный цикл. Предполагается, что основное значение этого цикла – снабжение живого организма пентозами, необходимыми для синтеза нуклеиновых кислот и накопления биомассы. Основная роль в синтезе белка принадлежит нуклеиновым кислотам, которые образуют протоплазму живой клетки. В их состав входят пуриновые или пиримидиновые основания, сахар (пентоза) и фосфорная кислота. Синтез белков происходит в рибосомах клеток за счет энергии, выделяющейся при дыхании и брожении. В улавливании и использовании этой энергии клеткой участвуют макроэргические соединения и в первую очередь аденозинтрифосфорная кислота. Ферментативный синтез белка в живых системах начинается с процесса активирования аминокислот. Для каждой аминокислоты существует свой фермент.
Дрожжи рода Saccharomyces не ассимилируют нитраты, так как не имеют ферментов, способных восстанавливать их до ионов аммония. Дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae в аэробных условиях используют глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, на 1/3 раффинозу, очень медленно используют галактозу. Способность к использованию
L-сорбозы, трегалозы, мелецитозы, инулина, L-арабинозы, D-рибозы, глицерина, D-маннита, D-сорбита, α-метил-6-глюкозида и молочной кислоты варьирует. В анаэробных условиях трегалозу не используют. Не ассимилируют целлобиозу, лактозу, мелибиозу, крахмал, ксилозу, D-арабинозу, L-рамнозу, эритрит, рибит, дульцит, салицин, янтарную и лимонную кислоты, инозит. Штаммы имеют различную способность расти на средах в отсутствие витаминов. Органические кислоты меласс и глицерин ассимилируются дрожжами в присутствии моно- и диглицеридов.
|
|
|
На жизнедеятельность дрожжевых клеток оказывают значительное влияние следующие факторы внешней среды:
1) рН;
2) температура;
3) аэрация.
Активная кислотность среды
Дрожжи сохраняют жизнеспособность в широких пределах колебания рН – от 2,5 до 6,5 ед. рН. Оптимальная величина активной кисло-тности питательной среды для размножения дрожжей 4,5…5,5 ед. рН. Отклонение рН среды от оптимального в процессе выращивания приводит к уменьшению выхода и ухудшению качества дрожжей.
От величины активной кислотности среды зависит скорость поступления питательных веществ в клетку, активность ферментов в синтезе белка, образование витаминов, а следовательно, и скорость роста дрожжевых клеток. В первые часы размножения дрожжей рН рекомендуется поддерживать на уровне 4,5…4,6, а к концу процесса постепенно повышать до 5,0…5,5, что обеспечивает высокий выход и хорошую подъемную силу дрожжей.
В период быстрого прироста биомассы и использования аммонийного азота рН резко понижается, в результате уменьшается накопление дрожжевой массы. В случае подкисления среды ниже 4,0 ед. рН в дрожжерастильный аппарат необходимо вместо сульфата аммония подавать аммиачный раствор и довести рН до нормы.
|
|
|
Подщелачивание среды в процессе роста дрожжей обусловлено выделением аммиака, которое наблюдается при наступлении процессов автолиза в дрожжевой клетке. Автолиз возникает при недостатке питательных веществ. При этом клетка сначала быстро использует запасные углеводы, затем наступает протеолиз веществ с распадом до аммиака, который выделяется в среду. Чтобы предотвратить подщелачивание среды, необходимо подачу мелассы и растворов солей отрегулировать в соответствии со скоростью роста и размножения дрожжей. При подщелачивании среды иногда нарушается фосфорное питание дрожжей. Фосфорнокальциевые соли переходят в нерастворимые трикальциевые фосфаты, способствующие пенообразованию. Обильную пену в дрожжерастильном аппарате не удается погасить добавкой пеногасителей (структола, напрола и др.)
Температура
Дрожжи относятся к мезофильным микроорганизмам, температурный оптимум 20…30 ºС. В диапазоне температур 20…36 ºС удельная скорость роста повышается прямо пропорционально повышению температуры. При температуре выше 36 ºС удельная скорость роста сахаромицетов резко понижается и практически прекращается при 40 ºС, несахаромицеты при этом продолжают расти. Наилучшая подъемная сила хлебопекарных дрожжей достигается при температуре культивирования 30 ºС. Дрожжи, выращенные при температурах ниже оптимальной, например, 17…22 ºС, имеют более высокую бродильную активность.
Повышение температуры культивирования приводит к понижению выхода дрожжей в результате снижения содержания влаги и в связи с этим массы дрожжевых клеток, а также вследствие увеличения расхода питательных веществ на брожение. Одновременно резко ухудшается качество продукции вследствие интенсивного размножения посторонних дрожжей и бактериальной микрофлоры. Инфицирующая микрофлора потребляет субстрат, предназначенный для сахаромицетов и снижает их выход. При температуре 45…50 ºС дрожжи погибают.
Минимальная температура для развития дрожжей составляет 5 ºС. Низкие температуры не убивают дрожжи, но приостанавливают их жизнедеятельность. Наступает состояние анабиоза с последующим восстановлением нормальных функций при благоприятных условиях. Дрожжи хорошо переносят минусовые температуры и в замороженном состоянии могут храниться длительное время. При быстром оттаивании и повторном замораживании дрожжи погибают. Поэтому на этикетках дрожжей всегда указывают: оттаивание производить при 4...6 ºС.
|
|
|
Аэрация среды
Аэрация преследует следующие цели:
– непрерывное снабжение клеток кислородом;
– удаление образующегося углекислого газа;
– быструю доставку к клеткам добавляемых питательных веществ;
– поддержание клеток во взвешенном состоянии.
Кислород, растворенный в окружающей среде, диффундирует через оболочку дрожжевой клетки при наличии разности в его концентрации в среде и протоплазме клетки.
В присутствии кислорода дрожжевая клетка усиленно дышит, используя для этого углеводы среды. В процессе дыхания происходит быстрый синтез белка и его распад, превращение углеводов. Таким образом, скорость роста дрожжей связана с интенсивностью дыхания.
Расход кислорода среды происходит тем быстрее, чем больше в ней дрожжевых клеток. Расход кислорода на 1 г дрожжей составляет 80…100 мг для молодых растущих клеток и 40…60 мг – для старых. Большая потребность в кислороде молодых клеток связана с формированием безазотистых веществ клетки, на что требуется больше кислорода, чем на формирование белков.
При размножении дрожжей по воздушно-приточному способу потребление кислорода с каждым часом возрастает не только из-за увеличения дрожжевой массы, но и в связи с тем, что на разных стадиях роста дрожжи испытывают различную потребность в кислороде.
Растворимость кислорода в среде достигает около 7 мг в 1 л, а при потреблении кислорода дрожжами его количество уменьшается до 1,5…1 мг в 1 л. Поэтому аэрация питательной среды должна осуществлять постоянное насыщение её кислородом. При уменьшении концентрации кислорода в среде до 1 мг на 1 л размножение дрожжей почти прекращается.
Считается, что на 1 кг мелассы с содержанием сахара 50 % требуется около 19 м3 воздуха. Максимально возможный выход дрожжей (210 % к потребленному сахару) получается, когда на каждый грамм использованного сахара приходится 1,6 г (или более) кислорода. При уменьшении количества кислорода выход дрожжей пропорционально уменьшается.
На практике не удается ввести в сусло более 2 г кислорода на 1 дм3 в час (при расходе воздуха 100 м3/(м3·ч)), в связи с чем ограничивается возможность переработки более концентрированного сусла.
Подача воздуха в аппарат должна находиться в соответствии с подачей сахара и ожидаемой скоростью размножения дрожжей. На полноценной питательной среде дрожжи выращивают при полном их обеспечении кислородом с аэрацией 100…175 м3/ч воздуха на 1 м3
сусла.
Нарушение режима аэрации резко меняет ход дрожжерастильного процесса.
|
|
|
