Загальна характеристика дріжджів

Saccharomyces cerevisiae - це різновид спиртових дріжджів. Як і всі речовини такого типу, Saccharomyces cerevisiae це одноклітинні мікроорганізми класу аскоміцетів або ж сумчастих грибів.Вони використовуються для того, щоб запускати процес зброджування цукру і поступовому його перетворенні в спирт. Saccharomyces cerevisiae розмножуються брунькуванням. Якщо мікроорганізми мешкають в середовищі, яке вкрай виснажене поживними речовинами, вони можуть розмножуватися спороутворенням.

Мікроорганізми Saccharomyces cerevisiae в основному овальної або витягнутої форми. Також можна зустріти яйцеподібні і еліпсоїдальні особини. Їх величина в середньому 6 - 11мкм і залежить від безпосередньо виду дріжджів, а також умов, в яких вони мешкають. Обсяг і довжина клітини у дріжджів впливають на швидкість взаємодії мікроорганізму з живильним середовищем. Тому, чим більше в обсязі і поверхні клітина дріжджів, тим швидше і інтенсивніше у них життєдіяльність.

Сама клітина дріжджів стандартно складається з оболонки, яка вміщує інші частини тіла дріжджів: цитоплазму і ядро.Внутрішня частина оболонки дріжджів представлена у вигляді білкових речовин, фосфоліпідів і ліпоїдів, коли зовнішня частина в своїй будові має полісахариди і сліди хітину. Оболонка в першу чергу регулює всі інші частини тіла дріжджів, а також дозволяє поглинати дріжджами деякі речовини.

Цитоплазма дріжджів має в'язку структуру. Така особливість характерна дріжджам через білкові речовини в основі. Крім білків, цитоплазма має в складі: рибозонуклеопротеїди, ліпоїди, вуглеводи. Також, в цитоплазмі багато води, що дозволяє протікати важливим ферментативним процесам. Молоді клітини відрізняються гомогенної цитоплазмою. При старінні, в клітинах дріжджів з'являється рівномірна зернистість, а також вакуолі і жирові ділянки.

Хондріосоми або ж мітохондрії у Saccharomyces cerevisiae представлені у вигляді зернистих утворень або ж ниток. Ці частини клітини відповідають за акумуляцію корисних речовин, які після потрапляння в клітку піддаються спеціальним швидкоплинним процесам для подальшого перетворення. Мітохондрії також відповідають за активацію амінокислот, яка можлива тільки під час синтезу білків або інших сполук.

Рибосоми Saccharomyces cerevisiae представлені у вигляді особливих включень зернистої форми. Вони складаються з ліпоїдів, білків і РНК. Останні відповідають за синтез білків і активацію амінокислот, які надходять з мітохондріальної системи.

Ядро клітини Saccharomyces cerevisiae-це тіло у вигляді кулі або овалу. З усіх боків воно оточене в цитоплазмі, яка не розчиняє його. Ядро містить в собі ДНК і ДКНП. Також, в ядрі є велика кількість РНК. ДНК в дріжджах відповідає за накопичення і передачу інформації про мікроорганізм у спадок.

Ще однією обов'язковою частиною Saccharomyces cerevisiae є вакуоля. Вакуолі-це спеціальні скупчення, які утворюються в плазмі при старінні клітини дріжджів. Від цитоплазми він відокремлюються спеціальною оболонкою-вакуолярною мембраною, яка складається з білків і ліпідів. Форма вакуолі постійно змінюється і залежить від руху і концентрації цитоплазми. Молоді клітини дріжджів мають вакуолі у вигляді деякої кількості дрібних скупчень. У старіших клітинах, вакуолі представлені у вигляді одного великого скупчення. Вакуолі відповідають за формування сполук, які піддаються ферментації, а також утворюють продукти життєдіяльності. Молоді клітини Saccharomyces cerevisiae практично не мають жирових скупчень. Деякі старші клітини мають дрібні вкраплення жирових елементів. Старі клітини жир накопичується в великі краплі.

Запасним поживним речовиною для Saccharomyces cerevisiae є глікоген. Ця речовина з групи полісахаридів структурно нагадує амілопектин. Воно накопичується в середовищах, які багаті на цукор під час культивації спиртових дріжджів. Коли цукор в дефіциті, глікоген швидко витратиться. Зрілі клітини мають приблизно 40% глікогену. Молоді особини практично не мають даної речовини.

Зовнішній вигляд дріжджових клітин характеризує загальний стан організму. Шляхом фарбування, можна визначити кількість глікогену, а в слідстві і фізіологічний стан дріжджів.У виробництві використовуються відразу всі стадії життя дріжджових клітин: молоді, зрілі, старі і відмерлі. Найбільш ефективними в плані бродильної енергії є зрілі клітини.

Для виробництва спирту використовуються тільки ті спиртові дріжджі, які мають досить високими бродильними властивостями. Вони обов'язково повинні мати анаеробний тип дихання, зброджувати цукор швидко і в повній мірі, а також бути досить стійкими до продуктів своєї життєдіяльності і продуктів життєдіяльності інших мікроорганізмів. Важливо, щоб дріжджі могли переносити велику кількість солей і сухих речовин, які можуть бути в наявності в спиртовому суслі.

Спиртові заводи, які спеціалізуються на переробці меляси поширені дріжджі раси Я. Для хлібопекарень використовуються рас Ял і В. Вони добре справляються зі зброджуванням сахарози, глюкози і фруктози. Раффіноза зброджується тільки на 30%. Тому, недобір спирту в такій ситуації становить досить велику величину. Кожен відсоток раффінози під час повного зброджування збільшує вихід спирту на 1.46%.

Бродильна активність дріжджів може бути підвищена. Це можливо за рахунок процесів мутагенезу або гібридизації. Для отримання видів дріжджів з підвищеною бродильної активністю найкраще підійшов метод гібридизації. Він базується на тому, щоб схрестити два батьківських види дріжджів і вивести раси дріжджів із заздалегідь відомими, обраними властивостями. Таким чином, було отримано ряд важливих, ефективних гібридів дріжджів, які мають переваги над расами дріжджів Я і В. Гібриди отримали спеціальний фермент-а-галактозидазу, який дозволяє повністю зброджувати раффінозу. Деякі дріжджові гібриди отримали кращі хлібопекарські властивості, а також підвищену генеративну функцію. Гібрид 112 проявив кращу мальтазну активність, проте накопичення спирту у нього менше на 1%, якщо порівнювати з дріжджами раси В. Гібриди 67 і 105 мають такий же вихід спирту, як і раса В, проте володіють більшою генеративної здатністю. Раса Г-67 має підвищену стійкість до зниженого рН середовища. У ній утворюється більше спирту, під час скорочення витрат сахарози на сторонні продукти.

Під час процесу зброджування сусла з сировини, яка містить крохмаль використовують дріжджі раси ХІІ. Вони відмінно справляються із завданням зброджування фруктози, сахарози і мальтози, проте не зброджують декстрини. Гідроліз декстринів здійснюється під час впливу на декстринази солоду. В наслідок цього, вся швидкість зброджування сусла, яке містить крохмаль залежить від швидкості гідролізу декстринів.

Оптимальна середовище проживання спиртових дріжджів.

Спиртові дріжджі нормально живуть у своєрідному середовищі, в якій є певна температура, рівень рН і хімічний склад живильного середовища.

Яка повинна бути температура, а також рН браги?

Спиртові дріжджі можуть нормально жити при різній температурі. Однак, найбільш приємною для них вважається діапазон від 29 до 30 градусів Цельсія. Дуже висока або низька температура середовища гальмує або повністю нейтралізує життєдіяльність дріжджів. Максимально допустима температура дріжджів - 38 градусів Цельсія. Мінімальна температура-5 градусів. Інші температури не особливо приємні для мікроорганізмів, а при температурі вище 50 градусів, особини вмирають.

Варто враховувати, що нормальна температура для адекватного і ефективного розвитку дріжджів і температура, при якій проявляється найбільш хороша бродильна активність не повинна бути однакова. Є ситуації, коли дріжджі, які були вирощені при температурі в 17 - 22 градусів можуть мати велику бродильну енергію, ніж інші дріжджі. Якщо зброджувати склад при температурі, яка перевищує 30 градусів, може проявиться негативний вплив на якість продукту. Для того, щоб зберегти ферментативну активність, підйомну силу і стійкість дріжджів краще дотримуватися температурного режиму в межах 28 - 29 градусів. Рідина на основі речовин з крохмалем рекомендується зброджувати в межі 28 - 32 градусів.

Від підвищення температури також залежить швидкість розмноження диких дріжджів і бактерій, яка може значно перевищувати швидкість розмноження сахароміцетів. Наприклад, при температурі в 32 градуси, швидкість розмноження диких дріжджів більше в 3 рази і в 8 разів при температурі 38 градусів. Такі темпи розвитку бактерій підвищують також рівень кислотності середовища, в якій вони мешкають, що призводить до зниження рівня виходу спирту. Рівень кислотності середовища, в подальшому впливає і на активність життєдіяльності спиртових дріжджів. Іони водню, можуть впливати на оболонку мікроорганізмів. Певна концентрація може або збільшувати, або зменшувати здатність пропускати оболонкою речовини з середовища. Тому, рівень кислотності середовища, безпосередньо впливає на швидкість отримання дріжджами поживних речовин з браги, що впливає на активність ферментів і утворення бактерією вітамінів. Крім того, рівень рН впливає і на тип бродіння. Таким чином, якщо зрушити рівень кислотності в бік лужності, то в середовищі збільшиться кількість гліцерину. Оптимальним для нормальної життєдіяльності дріжджів вважається рівень кислотності від 2 до 8. Для вирощування дріжджів найкращим варіантом буде тримати рН на рівні від 4.8 до 5. На рівнях рН нижче, дріжджі можуть розвиватися, хоч і уповільнено. Розвиток же молочнокислих бактерій на рівнях нижче 4.8 повністю припиняється. Така особливість спиртових дріжджів може використовуватися для придушення деяких бактерій в суслі. Рідина штучно подкислюють до прийнятного рівня, вичікують деякий час і повертають нормальні показники.

Склад оптимального середовища для спиртових дріжджів

Хімічний склад впливає на те, скільки поживних речовин потрібно для нормальної життєдіяльності спиртових дріжджів. Він залежить від якості живильного середовища і умов, в яких були розвинені дріжджі і їх фізіологічні особливості. Якщо розбирати хімічний склад клітини дріжджів, то на 47% вона складається з вуглецю, на 6.5% з водню, на 31% з кисню, на 7.5% з азоту і на 1.5 з фосфору. Незначно можуть зустрічатися сліди інших елементів: кальцій, калій, магній, натрій, сірка. Їх кількість не перевищує 0.5% від загальної маси. Також в деяких дріжджах можуть бути залишки заліза, міді або цинку.

Спиртові дріжджі, які піддавалися пресуванню містять майже 75% води і інше число сухої речовини. Загальна вологість складу впливає на співвідношення кількості внутрішньоклітинної і міжклітинної вологи. Тобто, видалення води зі складу спиртових дріжджів в цілому не впливає на їх життєздатність при температурах в межах 50 градусів

Сухі частини дріжджів складаються на 25% з органічних частин: 13% білка, 6% глікогену, 2% жиру, 2% целюлози. Так само дріжджі мають до 5% попелу.

Детальніше про склад середовища дріжджів:

• Білки

Сирого білка в дріжджах налічується приблизно 50%, істинного в районі 45% від усієї кількості білків. Таким чином, в складі сирого білка, можна знайти всі сполуки азоту і нуклеїнових кислот у вигляді пуринових і піримідинових амінокислот.

• Глікоген

У випадках, коли в живильному середовищі відсутні потрібні дріжджам речовини, глікоген перетворюється в спирт або діоксид вуглецю.

• Трегалоза

Трегалоза знаходиться в клітині разом з глікогеном, оскільки це досить мобільний вуглець, який вважається резервним і є елементом для забезпечення стійкості дріжджів, що використовуються для хлібопекарень. Кількість такого вуглецю в клітині дріжджів збільшується в залежності від зменшення азоту в середовищі або зміни кислотного рівня середовища до показників нижче 4.5.

• Жири

В якості жирів в спиртових дріжджах виступають олеїнова, лінолінова і пальмітинова кислота.

• Попел

Представлена у вигляді основних оксидів.

• Фосфор

Елемент міститься у вигляді органічних або неорганічних фосфатів. Ці частини входять до складу молекул нуклеїнових кислот, коферментів і тіаміну, а саме в ядерних речовинах клітин можна знайти сліди фосфору. Елемент важливий під час проходження різних енергетичних процесів в клітинах дріжджів.

• Сірка.

Сірка в спиртових дріжджах представлена в складі амінокислот і вітамінів. Також її можна зустріти в складі ферментів як сульфідні і тіолові групи.

• Залізо

Залізо бере участь в роботі важливих ферментів, таких як зимогеназа і пірофосфатаза, а також знаходиться в ферментах, які відповідають за дихання клітини.

• Магній

Магній відповідає за активацію в спиртових дріжджах фосфатази і енолази. Іони хімічного елемента ефективно справляються зі збереженням активності деяких ферментів під час підвищення температури. Крім того, магній допомагає швидше обробляти дріжджами глюкозу: чим вище глюкози в середовищі існування дріжджів, тим ефективніше магній справляється з цим завданням. Оптимальна живильне середовище повинна мати в районі 0.05% магнію. У деякому роді, за допомогою магнію можна регулювати процес бродіння за рахунок регулювання кількості іонів в середовищі.

• Калій.

Елемент необхідний для двох функцій: поживної і для розмноження спиртових дріжджів. Калій бере участь в окислювальному процес і процесі гліколізу. Тому, фактично, калій допомагає регулювати і стимулювати рух фосфору всередину клітини дріжджів.

• Кальцій

Кальцій використовується дріжджами для активації процесів в мікроорганізмі. Іони кальцію зв'язуються з АТФ і інгібує деякі ферменти дріжджів. Підвищення кількості іонів кальцію гальмує розмноження дріжджів, знижує можливість накопичувати дріжджами глікоген і підвищує % кількість стеринів. У цифрах, кальцію до 40 мг на 1 л рідини для дріжджів підвищує можливість дріжджів розмножуватися. Більша кількість гальмує розмноження.

• Мікроелементи.

Мікроелементи також беруть активну участь в процесі розмноження дріжджів, а також підтримці з нормальної життєдіяльності. Фактично, мікроелементи входять в усі склади ферментів, вітамінів або інших сполук, які беруть участь в синтезі. Крім того, мікроелементи можуть регулювати швидкість, а також особливості протікання тих чи інших хімічних процесів в середовищі. Кобальт допомагає розмножуватися дріжджам, підвищує кількість азоту і азотних речовин в клітинах дріжджів. Він збільшує синтез вітамінних речовин, рибофлавіну, аскорбінових кислот і т. д.. Мікроелементи вступають в з'єднання з іншими ферментами і елементами, що і обумовлює їх стимулюючу дію. Ефект стимулювання безпосередньо залежить від якості і міцності з'єднання, яке виникло.

• Вітамінита інші частинки

Не менш важливим фактором для оптимального розвитку спиртових дріжджів, а також ефективного бродіння є вітаміни, які використовуються в якості кофакторів в ферментах. Самі по собі, дріжджі можуть синтезувати практично всі вітаміни. Винятком є біотин. Він обов'язково повинен бути в живильному середовищі.

Серед інших частинок можна виділити жирні кислоти, які впливають на ріст дріжджів. Найбільш стимулюючою є олеїнова кислота з 18 атомами вуглецю. Однак концентрація кислоти в поживне середовище повинна бути не великий, в діапазоні до 0.5 мг\мл підвищена концентрація олеїнової кислоти, навпаки, сповільнює ріст мікроорганізмів.

Харчування і його джерела для спиртових дріжджів

Спиртові дріжджі харчуються екзогенним і ендогенним способом. Під час екзогенного харчування, мікроорганізм отримує поживні речовини із зовнішнього середовища. Ендогенне харчування має на увазі витрачання резервних речовин, які були накопичені раніше. Такий спосіб "запускається" в тоді, коли клітина голодує. Вона починає споживати глікоген, трегалозу ліпіди і т. д..

Вуглецеве харчування спиртових дріжджів.

Вуглець для спиртових дріжджів досить важливий елемент. Вони використовують його для різних органічних сполук. Наприклад, для глюкози, манози, фруктози або галактози. Важливо також враховувати те, з якою послідовністю дріжджова клітина споживає джерела вуглецю. В першу чергу, дріжджі споживаю глюкозу і фруктозу. Раса дріжджів впливає на послідовність споживання жирних кислот дріжджами. На цю послідовність також впливає і склад жирних кислот. Оцтова кислота поглинається клітинами разом з глюкозою. Тенденція поглинання вуглецю відповідає тому, яке його джерело найбільше впливає на швидкість росту клітин.

Під час безперервного культивування клітин спиртових дріжджів в середовищі існування дріжджів залишається більше вуглеців. В даному випадку, він буде засвоюватися клітинами в останню чергу.

Поглинання речовин також залежить від виду дріжджів. Дикі дріжджі добре вміють засвоювати галактозу, а дріжджі виду Cand. Clausseni абсолютно її не поглинають.

Для того, щоб дріжджі нормально засвоювали мальтозу і сахарозу, ферментами запускається процес гідролізу для нейтралізації дисахаридів в моносахариди. У процесі переходу дріжджів з анаеробного стану до аеробного, вони перестають зброджувати мальтозу і глюкозу, проте їх сахарозна активність підвищується в 3 рази. Мальтозу спиртові дріжджі починають споживати тільки після того, як в середовищі закінчиться фруктоза або глюкоза, але повне зброджування мальтоза все одно проходить під час стаціонарної фази зростання спиртових дріжджів.

Не менш важливе значення під час дисиміляції і синтетичних процесів має органічна кислота. Дріжджі, в залежності від виду або раси можуть використовувати жирні кислоти як джерело вуглецю. Наприклад, дріжджі можуть споживати оцтову, піровиноградну, молочну, масляну та інші кислоти, якщо їх концентрація в нормі. Стимулюють зростання спиртових дріжджів також калійні солі і кислоти з атомами вуглецю в молекулах. Вони здатні прискорити процес зростання до 3 разів, якщо порівнювати з іншими молекулами кислот.

Жирні кислоти, які мають середню довжину вуглецевого ланцюга, спиртові дріжджі практично не споживають. Низькі концентрації таких кислот прийнятні для живильного середовища, проте високі здатні гальмувати ріст мікроорганізмів. Кислоти з довгими вуглецевими ланцюгами в 12-17 атомів в молекулах споживаються в залежності від того, якого типу, роду і раси дріжджі.

Крім того, спиртові дріжджі можуть використовувати продукти з циклу Кребса в якості джерел вуглецю. А саме: фумарова, яблучна, лимонна, бурштинова, і піровиноградна кислоти можуть виступати елементами для вуглецевого живлення.

Азотне живлення спиртових дріжджів.

Спиртові дріжджі можуть споживати всі амінокислоти, які є в складі білків дріжджів за рахунок неорганічних азотистих сполук. Вид дріжджів Sacch. Cereviesiae здатний засвоювати тільки дві форми азотистих сполук, а саме аміачні сполуки і сполуки органічних речовин. Дріжджі здатні поглинати азот сульфату, сечовину, фосфат амонію і аміачні солі жирних кислот. Якщо в середовищі є достатня кількість цукрів, солі аміаку використовуються лише для того, щоб забезпечувати клітину достатньою кількістю азоту. У процесі споживання азоту клітиною дріжджів змінюється кислотність середовища за рахунок виділення в середу кислот. Найкраще спиртовими дріжджами засвоюється аміачний азот.

Варто враховувати, що амінокислоти в середовищі одночасно є як джерелами вуглецю, так і азоту. Азот формується за рахунок відщеплення аміногруп від кетокислот і засвоюється клітинами дріжджів. Амінокислоти можуть також поглинатися з живильного середовища, якщо в ній є достатня кількість цукру, а також повний набір цих кислот. Такий нюанс дозволяє знизити витрату цукру для харчування спиртових дріжджів і значно збільшити вихід спирту під час процесу бродіння. Цей же процес гарантує синтез білків, а також ферментів, в тому числі тих, які вже присутні в клітці.

Органічний азот може споживатися дріжджами тільки при наявності достатньої кількості вітамінів, а саме біотипу, тіаміну і піридоксину. Холін, пурин, бетаїн, а також інші азотисті сполуки схожого типу дріжджі не здатні засвоювати. Пептиди засвоюються частково. Їх споживання залежить від складності елемента: з підвищенням складності, засвоєння значно знижується. Допустима кількість пептидів забезпечує поглинання амінокислот.

Кількість азоту в дріжджах може сказати про те, в яких умовах клітини були культивовані і який фізіологічний стан на даний момент у них. Вміст азоту в клітинах також залежить від кількості поживних речовин, які вводяться додатково і від виду\раси дріжджів. В цілому, кількість азоту в дріжджах коливається від 7 до 10% на одиницю сухої речовини.

Фосфорне харчування спиртових дріжджів.

Анаеробне середовище забезпечує засвоєння дріжджами фосфору в початковий період бродіння. Його споживання в цей період становить від 80 до 90% від усього вмісту в дріжджах. Молоді клітини, які активно розмножуються мають більше фосфору в складі в порівнянні з більш старими клітинами. Тенденція чітко простежується в сухій речовині сумішей: в перші 6 годин бродіння спиртових дріжджів спостерігається 2% фосфору, коли до кінця бродіння в районі 1%.

У середовищі з крохмальним сировиною є потрібні для спиртових дріжджів фосфоровмісні сполуки. В інших середовищах харчування необхідно додавати ортофосфорну кислоту для нормального перебігу бродіння.

Інші фактори, які впливають на розмноження спиртових дріжджів

Крім описаних вище параметрів, на швидкість розмноження дріжджів впливає осмотичний тиск в клітці мікроорганізму, а також середовищі його проживання. З підвищенням тиску підвищується також швидкість розмноження.

Стимулювати додаткове зростання спиртових дріжджів можна за рахунок впливу на них ультразвуком. Після такої обробки у дріжджів в кілька разів збільшується активність інвертази. На хлібопекарські дріжджі ультразвук також впливає досить ефективно. За годину такого впливу можна збільшити підйомну силу дріжджів на 15-18% і збільшити у них кількість ергостерину на 45-60%. Ефективність впливу залежить від частоти ультразвуку.

Винні дріжджі показують кращі бродильні результати під впливом Y-променів. Також, під такою обробкою у хлібопекарських дріжджів підвищується мальтазна активність. Однак, якщо дріжджі довго опромінювати ультрафіолетовими променями, то вони втрачають свої здібності, а саме перестають синтезувати лейцин або ізолейцин. Через такі експерименти можна отримати мутовані клітини, які не можуть виділяти ізобутиловий і ізоаміловий спирт. На хлібопекарські дріжджі ультрафіолетові промені впливають по-іншому: підвищують їх мальтазну активність в кілька разів.

Слабкі лужні розчини, а також спирти або ефіри негативно впливають на клітини дріжджів шляхом розчинення їх ліпоїдних речовин. Таким чином, спирт при відносно невеликому обсязі в живильному середовищі може значно сповільнювати розмноження дріжджів. Але, якщо живильного середовища надходить достатня кількість, дріжджі можуть розмножуватися і з високою концентрацією спирту. Навіть з пропорцією в 10% спирту дріжджі продовжують зброджувати цукор, оскільки розмноження і розвиток клітин залежить від кількості поживних речовин в брагу, а не від кількості спирту в ній. Для того, щоб нівелювати вплив спирту в складі на дріжджі існує розроблена схема, яка зброджує склад під вакуумом.

Негативно на життєдіяльність дріжджів впливає формалін і солі важких металів. Навіть найменша частина цих речовин в складі зменшує швидкість розвитку і розмноження спиртових дріжджів. Також, псують середовище проживання для дріжджів сірчиста, азотиста і фтористо - воднева кислота. Малі концентрації речовин знижують ріст клітин, а також значно погіршують їх якість і підйомну силу.

Сірчана кислота в обсягах від 0.35 до 0.6% не впливає на життєздатність клітин дріжджів на початкових етапах. Після доби дріжджів в такому складі приблизно 2% особин помирає. Молочні бактерії в складі з такою консистенцією гинуть через 2 години, а якщо збільшити склад розчину до 0.5%, гинуть за 2 години все бактерії. Дикі дріжджі більш стійкі і можуть витримувати розчин з пропорцією 1.3% сірчаної кислоти більше двох годин.

Органічні кислоти вільного типу інгібують дріжджі ефективніше солей. Навіть невеликі концентрації кислот здатні придушити нормальне життя дріжджів, а також прискорити їх загибель. Найсильніше впливає масляна і капронова кислоти. Підвищення ефекту придушення від кислот спостерігається від зниження кислотності середовища до 4 пунктів. Вже через добу такого ефекту можна спостерігати багато плазмолізованих клітин дріжджів.

Знизити здатність розмноження дріжджів без збільшення кількості загиблих клітин можна за рахунок мурашиної кислоти. Також, можна використовувати оцтову кислоту, яка має більш слабкий ефект.

Масляна кислота (0.045%), капронова кислота (0.055%) мурашина кислота (0.09%) пропіонова кислота (0.12%) і оцтова кислота (0.45%) здатні знизити вихід спирту, якщо зброджувати синтетичну середу з 13% складом сахарози. Зниження спостерігається тільки, якщо використовувати дріжджі раси В або Я, раса Г - 176 і Г - 202 працюють нормально. Такі концентрації кислот можна зустріти в мелясі, але в цьому розчині менші органічних кислот, а мурашина і пропіонова кислота іноді не доходить до потрібних показників.

Масляна і капронова кислота блокує зброджування і гальмує виділення спиртів у дріжджів всіх рас.

Срібло або мідь в певних кількості може вбивати дріжджі. У вкрай малих кількості, важкі метали гальмують розвиток клітин. Вплив металів на дріжджі залежить в першу чергу від складу всього середовища, рівня її кислотності, температури або кількості клітин на грам браги. Наприклад, мідь може бути більш агресивною для дріжджів в кислих середовищах, а срібло проявляє себе в аміачних розчинах.

Фурфурол в середовищі існування дріжджів уповільнює розмноження клітин шляхом зменшення кількості нирок дріжджів, а також їх розмірів. Малі консистенції цього елемента в середовищах проживання знижує мальтазную і зимазную активність клітин мікроорганізмів.

Сульфанол як елемент пригнічує дріжджі, але негативно впливає на молочнокислої бактерії. Хлор в свою чергу руйнує органічні речовини шляхом їх окислення.

Іони Ca, Mg, Fe в підвищеній кількості руйнують водну оболонку дріжджів. Таким чином, з'являється можливість аглютинації дріжджів, що створює також електричний заряд на поверхнях клітин дріжджів.

Дріжджі самі по собі мають негативний електрокінетичний потенціал. Тому, вони адсорбують на поверхні елементи-меланоїдини, які вже мають позитивне значення потенціалу. Якщо знижувати кислотність середовища проживання дріжджів, потенціал елементів зростає, що також збільшує процеси адсорбції дріжджових клітин. Велика кількість меланоидинов негативно впливають на клітини, забарвлюють їх в темний колір і гальмують життєдіяльність аж до смерті клітини. Знижується також ферментативна активність і активність інвертази і каталази. Наявність в середовищі елемента в межах вище норми зменшує популяцію дріжджів в два рази менше ніж за добу. Не забувайте, що ці елементи можуть з'являтися в середовищі після того, як сировину з вмістом крохмалю розварюють.

Якщо кислотність промивної води в нормі, то фарбувальні речовини дріжджовий клітини не піддаються десорбції. Нормальним вважається показник 3. Десорбція починається від рН на рівні 9.

Цистеїн, глютатіон, а також інші сульфгідрильні сполуки можуть активувати деякі ферменти дріжджових клітин. Вони сприяють запуску ферментації, а також активують і регулюють роботу ферментів. Це важливо для нормально життєдіяльності і обмінних речовин в клітинах дріжджів.

Сульфгідрильні сполуки є вкрай важливими учасниками передачі електрона через цитохром. Глютатіон і цистеїн сприяють швидшому спиртовому бродінню за рахунок тіолових ферментів, які спостерігаються під час окислення цукру. Але, такий метод не ефективний в плані ціни, елементи досить дорогі. На практиці використовується дріжджовий автополізат.

Процес бродіння і дихання клітини дріжджів.

Анаеробний розпад вуглеводів.

В анаеробних умовах ферментативна дисиміляція вуглеців відбувається зі значним виділенням енергії. Крім того, вона призводить до виділення продуктів неповного окислення, що і називається бродінням.

Під час процесу бродіння органічні сполуки виступають як акцептори вуглецю. Кисень в цих процесах участь не бере, а сполуки з'являються в результаті окислення.

На малюнку зображена детальна схема всіх хімічних процесів, які спостерігаються під час бродіння глюкози.

1) Спочатку відбувається утворення фосфорних ефірів цукрів. Фермент гексокіназа і аденілова кислота, які вважаються донаторами фосфорної кислоти перетворюють глюкозу в глюкопіранозо-6-фосфат. Фосфорна група з АТФ на глюкозу переноситься за рахунок процесу каталізу гексокіназою. Залишок фосфорної кислоти потім приєднується на місці 6 атома вуглецю. Магній активує дію ферменту. За таким же принципом здійснюється перетворення фруктози і манози, а глюкозна реакція відповідає за швидкість всього бродіння.

2) Потім отриманий фосфат піддається процесам ізомеризації за рахунок ферменту глюкозофосфату - ізомерази. Реакція оборотна, в результаті отримуємо фруктозо - 6 - фосфат.

3) Отриманий елемент піддається впливу ферментом фосфофруктокпнази. Таким чином, залишок фосфорної кислоти приєднується на місце першого вуглецевого атома і за рахунок АТФ отримуємо новий елемент - фруктозо - 1.6 - дифосфат. Реакція перетворення не оборотна, а молекула цукру переходить в лабільний стан оксоформи і стає готовою до подальшого впливу і перетворення за рахунок зниження міцності зв'язку між 3 і 4 атомами вуглецю.

4) Фермент альдолаза запускає процес розпаду фруктози 1.6 дифосфату на дві частини фосфотріози-з-фосфоглице¬риновий альдегід і фосфодіоксіацетон. Ця реакція оборотна.

5) Процес ізомеризації починається між отриманими фосфотріозами за рахунок каталізу ферменту тріозофосфатізомерази.

6) У період індукції до моменту утворення оцтового альдегіду починається реакція дисмутації між молекулами альдегіду. Її починає фермент альдегідмутази в парі з молекулою води. Одна молекула фосфогліцеринового альдегіду відновлюється в результаті і отримує фосфогліцерин. Друга молекула окислюється і утворює 3 фосфогліцеринову кислоту. Фосфогліцерин не бере участі в подальших реакціях і є побічним продуктом бродіння з виділенням спирту.

Подальше окислення 3 фосфогліцеринової кислоти здійснюється складним шляхом. Насамперед, він перетворюється в 1,3-дифосфогліцериновий альдегід, які приєднує до себе залишки неорганічних фосфорних кислот. Потім, фермент тріозофосфатдегідрогеназа діє на отриманий альдегід і окисляє його в 1,3-дифосфо-гліцсріновую кислоту.

7) Фосфотрансфераза бере участь в реакції залишку фосфорної кислоти, в якій залишилася макроергічна зв'язок і передається з 1,3-дифосфогліцеринової кислоти. Енергія, яка звільняється під час окислення альдегіду акумулюється в АТФ.

8) Фермент фосфогліцеромутаза впливає на результат, і кислота піддається ізомеризації в 2-фосфогліцеринову кислоту.

9) Як результат, після розподілу енергії всередині молекул, 2-фосфогліцеринова кислота перетворюється в фосфоенолпіровиноградну кислоту. Каталізатором реакції виступає енолаза, яка активується іонами магнію. Для того, щоб максималізувати вплив енолази необхідно досягти кислотності середовища від 5.2 до 5.5 пункту. Інші параметри викликають агрегацію молекул енолази.

10) Фосфотрансфераза і калій сприяють передачі залишку фосфорної кислоти на АДФ, а енергія від реакції акумулюється в АТФ.

11) Результат у вигляді енолпіровшюградная кислоти переходить в стабільну кетоформу.

12) Карбоксилаза впливає на піровиноградну кислоту і відщеплює діоксид вуглецю, що дозволяє перетворитися оцтовому альдегіду.

13) Алкогольдегідрогеназа починає перенесення водню на оцтовий альдегід, що передує утворенню потрібного етилового спирту, а також регенерує НАД.

Аеробний розпад вуглеводів

Розпад вуглеводів в аеробних умовах практично такий же як і в анаеробних. Відмінністю є те, що утворення піровиноградної кислоти здійснюється шляхом її повного окислення до діоксиду вуглецю і води в циклі трикарбонових кислот. Даний цикл має на увазі послідовне протікання окислювальних і відновних процесів, які переносять водень на молекулярний кисень, який вважається останнім акцептором. Перенесення можливий завдяки молекулам-переносникам, які так само утворюють ланцюг дихання клітин. Схема реакцій хімічних елементів під час аеробного розпаду глюкози зображена нижче.

Катаболізм глюкози утворює дві молекули потрібної нам піровиноградної кислоти. На початку всіх процесів, перша молекула піддається декарбоксилювання. Як результат цього процесу отримуємо активовану оцтову кислоту.

СНз · СО · СООН + КоАSН + НАД — СНз-СО ~ КоАSН + НАД · Н2 + СО2

Друга молекула кислоти піддається ферменту піруваткарбоксилаза. У слідстві, вона конденсується з молекулами діоксиду вуглецю. В результаті реакції отримуємо щавлеоцтову кислоту.

СHз · CO · COOH + CO2 + АТФ ↔ HOOC · CH2 · CO · COOH + АДФ + Ф

Щавлеоцтова кислота може виходити з яблучної кислоти.

Весь цикл трикарбонових кислот має на увазі початок з реакції конденсації ацетил-КоА разом з молекулою щавлевооцтової кислоти або ж оксалоацетату. Фермент каталізатор в цій реакції-цитратсинтаза. В результаті реакції отримуємо лимонну кислоту, а також кофермент а вільного типу.

Наступні реакції зображені на малюнку - схемі. Один такий оборот молекули піровиноградної кислоти має на увазі приєднання до неї трьох молекул води і виділення Н2 з молекулами СО_2. Рівняння виглядає наступним чином:

СНз · СО · СООН + ЗН2О — > ЗС0₂ + 10 Н.

У циклі трикарбонових кислот розпадаються не тільки вуглеводи. ЦТК також сприяє розпаду жирних кислот і амінокислот.

Розпади анаеробним і аеробним способом доставляють дріжджам необхідна кількість енергії, а також забезпечує нормальний синтез біоелементів. Наприклад, щавлевооцтова і А-кетоглутарова кислота піддається процесу відновлення шляхом амінування і переамінування, що дозволяє отримати в результаті аспаригінову і глютамінову кислоту. В цілому, отримання аспарагінової кислоти можливо з фумарової кислоти. Отримання цих кислот займає важливе місце під час синтезу білків з вуглеводів. Для отримання потрібної біомаси клітини спиртових дріжджів взаємодіють і з іншими елементами. Наприклад, клітини можуть вибрати анаплеротичний шлях, зокрема пентозофосфатний. Ці елементи вважаються елементами предками нуклеотидів і відповідних кислот.

Окислення цукру має набагато більшу кількість енергії, яка звільняється. Таким чином, в результаті реакції є ймовірність отримати більшу кількість метаболітів, які готові до подальших реакцій і синтетичних процесів. Через це, швидкість росту і розмноження клітин дріжджів помітно збільшується, як і їх біомаса.

Кількість цукру, яке споживається під час біосинтетичних процесів бродіння.

Генерація дріжджів має на увазі складний процес, який базується на певній кількості складних тісно пов'язаних хімічних реакцій. Однозначно порахувати скільки поживних речовин буде необхідно для генерації дріжджів неможливо. Тому, використовуються наближені теоретично практики, які дозволяють розрахувати сумарну кількість біосинтезу і бродіння.

Виходячи з досліджень, було доведено, що для отримання дріжджів з меляси найбільше використовується цукру. Для отримання готової товарної продукції втрачається приблизно 64.6% цукру, з урахуванням всіх втрат під час бродіння. На більш сучасних заводах, які спеціалізуються на певних методах цей показник трохи нижче.

Під час виробництва дріжджів цукор витратиться для того, щоб отримати три продукти, а саме самі дріжджі, спирт і діоксид вуглецю. Щоб цукор максимально ефективно використовувався всі названі продукти необхідно утилізувати. При спиртовому бродінні, цукор з меляси практично без втрат витрачається на освіту потрібних продуктів. Незброджений цукор залишається в мелясі в районі 2-3%. Втрати цукру в такому процесі налічують приблизно від 7 до 12% від цукру, який був впроваджений в процес. Тому, чистий вихід спирту коливається в межах 88-93% від того, який був вирахуваний теоретичним шляхом. Кількість гліцерину, який утворюється від бродіння впливає склад живильного середовища, а також фізичні і хімічні її показники.

Кількість одержуваної біомаси клітин дріжджів, а також ступінь їх активної життєдіяльності залежить від спрямованості процесу бродіння. Від цього ж і залежить витрата цукру на утворення біомаси. В процесі роботи з зрілою брагою для отримання хлібопекарських дріжджів намагаються отримати якомога більше біомаси дріжджів. Самі по собі дріжджі можуть повторно направлятися на зброджування, що підвищує кількість біомаси без шкоди витратам цукру. При використанні дріжджів кілька разів їх енергія не зменшується, а навпаки збільшується. Інтенсивність бродіння від цього також збільшується, за рахунок більшої кількості спиртових дріжджів.

На нормальне дихання клітин дріжджів під час виробництва дріжджів використовується багато цукру. У цифрах, це приблизно 6-15% від тієї кількості, яка використовується в цілому. Такий витрата не стабільний. Він може залежати від концентрації цукру в живильному середовищі, а також швидкості насичення складу киснем, температури або інших показників. Виходячи з цього, існують способи підвищення кількості одержуваного спирту під час переробки складу.

Теоретично, виходячи з рівнянь роботи дріжджів в спирт перетворюється 66.7% вуглецю з цукру, а в СО2 залишилася частина. Тому, кількість вуглецю, яке йде на побудову біомаси і на дихання залежить від кількості явного цукру в середовищі існування.

Підвищення концентрації цукру в живильному середовищі дріжджів впливає на кількість одержуваної біомаси і зменшує вихід СО2 при диханні дріжджів. Тобто, бродіння з таким підходом більш економічне.

Зниження температури браги зменшує витрати цукру на дихання дріжджів, а підвищення інтенсивності окислювальних реакцій впливає на менший вихід дріжджів.

Мікроорганізми, що живуть з дріжджами

Під час процесу зброджування вкрай важливо захищати дріжджі від небажаних інших мікроорганізмів, які можуть заважати нормальній роботі дріжджів. Це можуть бути сторонні бактерії або дикі раси дріжджів, які потрапляють в живильне середовище випадково з водою, повітрям або іншими видами сировини. Після потрапляння в апарати, в яких відбувається зброджування сторонні мікроорганізми можуть накопичуватися і в підсумку витісняти потрібну культуру дріжджів. До того ж, сторонні бактерії споживають частину цукру з браги, що в цілому знижує кількість кінцевого спирту. Також, вони можуть синтезувати сторонні органічні кислоти, ферменти та інші продукти, які ведуть до зацукрюванню середовища, а також зниження властивостей дріжджів. Як результат, в брагу підвищується кількість крохмалю і незбродженого цукру.

Детально про сторонніх мікроорганізмах

Молочнокислі бактерії

Всього існує кілька видів молочнокислих бактерій, а саме циліндричні, паличкоподібні, сферичні, кулясті, грампозитивні, нерухомі і неспороутворюючі. Молочнокислі бактерії гетероферментативного типу, як і молочна кислота реалізують леткі кислоти, спирт і водень.

Найкраще молочнокислі бактерії ростуть при температурі 20 - 30 градусів. Термофільні види молочнокислих бактерій найкраще ростуть при температурах на 20 градусів вище. При цьому, як і інші мікроорганізми, молочнокислі бактерії гинуть при температурах від 70 до 75 градусів.

Найчастіше можна зустріти такі групи бактерій: Lacto. bacillius plantarum, Lact. breve, Lact. fermentii, Leuconostoc mesenterioides, leuc. agglutinans. Бактерії з видовою назвою Leuconostoc mesenterioides обрамлені в слизову капсулу, яка дозволяє їм витримувати високі температури і вплив кислот. У рідкому середовищі вони гинуть при температурі від 112 градусів за 20 хвилин. У розчині сірчаної кислоти можуть жити протягом години. Leuc. Agglutinans можуть прилипати до дріжджів, а також склеювати їх клітини.

Оцтові бактерії

Оцтові бактерії представлені у вигляді грамнегативних, паличкоподібних або безспорових особин, які виключно аеробні клітини, які живуть в аналогічній дріжджів середовищі. Оцтові бактерії можуть впливати як окислювач на спирт і в результаті може вийде оцтова кислота. Аналогічно з пропілового спирту виходить пропіонова кислота, з бутилового спирту - масляна. Деякі види бактерій, можуть впливати і на глюкозу виробляючи глюконову кислоту або ксилозу, виробляючи ксилонову кислоту. Однак, звичайний, етиловий спирт вважається головним засобом життєдіяльності таких бактерій. Найчастіше зустрічаються види: Acetobacter aceti, Acet. Pasteurianium, Acet. oxydans. Це паличкоподібні особини до 3 мкм. Іноді, вони з'єднуються в ланцюжки. Живуть в середовищі від 20 до 35 градусів. Перший вид бактерій може витримувати концентрацію спирту до 11%. Дріжджі уповільнюють своє зростання і розвиток, якщо кількість таких бактерій, а також продуктів їх життєдіяльності стає багато.

Маслянокислі бактерії.

Маслянокислі бактерії представлені у вигляді великих і рухомих паличок довжиною до 10 мкм. Вони спороутворюючі і виключно анаеробні. Спори таких бактерій представлені у вигляді циліндрів або еліпсів. Крім масляної кислоти при окисленні вони можуть виробляти оцтову, молочну або капронову, проте в менших кількостях. Крім того, можливі виробництва етилового або бутилового спирту. Таке бродіння добре поширюється в насосних станціях, трубах або схожих за умовами прихованих місцях. Температура для нормального життя - від 30 до 40 градусів. Кислотність середовища до 4.9 пунктів. В інших середовищах маслянокислі бактерії не розвиваються.

Чи не прийнятно спостерігати маслянокислі бактерії під час виробництва спирту, оскільки кислота, яку вони виробляють пригнічує нормальну роботу дріжджів.

Гнильні бактерії

Гнильні бактерії-це види бактерій, які відповідають за розпад білкових речовин. Можуть жити як в аеробних, так і в анаеробних умовах. В аеробних умовах вони здатні повністю мінералізувати білок до діоксиду вуглецю. В анаеробних в середовищі накопичують отруйні речовини, а також інші органічні сполуки. Бактерії добре рухаються, стійкі до високих температур, а також утворюють спори. Нормальний температурний режим коливається від 36 до 50 градусів Цельсія. До анаеробів можна віднести кишкову паличку і Proteus vulgaris. До аеробів Clostr. Putrificum і Clostr. sporogenes.

Гнильні бактерії особливо негативно впливають на дріжджі хлібопекарських рас. Вони значно скорочують їх термін придатності. Деякі гнильні бактерії можуть утворювати нітрити, які помітно уповільнюють розмноження дріжджів.

Дикі дріжджі

Дріжджі, які вважаються небезпечними для виробництва спирту. Вони споживають в рази більше звичайних дріжджів цукру, при цьому виділяючи мало спирту. Культурні дріжджі погано приживаються з дикими клітинами. Багато видів диких дріжджів перетворюють цукор в орг. Кислоти, а також займаються окисленням спирту.

Мікрофлора води і повітря.

Вода, яка використовується для приготування середовища проживання не повинна містити більше 100 бактерій на один мілілітр. Великі заводи спирту використовують воду з водойм з мікроорганізмами таких видів: Esch. coli, Esch. freundi (Bact.citrovorus), Klebsiella aerogenes, Acrobacter cloacae, Bac. Subtilis, Bac. Mesentericus, Pseudomonas nonliguefaciens.

Однак, в одному мілілітрі такої води може бути багато кислотних бактерій. Тому, її попередньо хлорують для того, щоб стабілізувати кількість мікроорганізмів. Використовується при цьому гіпохлорит натрію, хлорне вапно або гіпохлорит кальцію. На один літр такої води необхідно до 40 мг активного хлору. Після знезараження вода може застосовуватися для технологічних цілей. Іноді можна застосовувати дихлорантин. Цей препарат не токсичний і містить практично 70% активного хлору. Він легко розчиняється в спирті, а також хлорованих вуглецях, при цьому погано розчиняється у воді. Якщо активний хлор у воді залишається на рівні до 20 мг/л спороутворюючі бактерії не гинуть. Таким чином, спирту в результаті виходить навіть більше за рахунок поліпшеного спиртового бродіння.

Повітря також піддається очищенню, оскільки з ним до складу потрапляє величезна кількість мікроорганізмів, які негативно позначаються на виробництві спирту і на властивостях хлібопекарських дріжджів. Цехи з кормовими дріжджами на заводах також очищають. У повітрі мешкають бактерії таких типів: Вас. Mesentericus, Вас. mycoides, Вас. megatherium, Вас. subtilis, бактерії роду Pseudomonas, сарціни (Sarcina lutea), спори цвілевих грибів роду Pennicilium і Aspergillus, дріжджоподібні гриби роду Candida. Іноді зустрічаються молочнокислі бактерії.

Очищення відбувається за рахунок втягування повітродувками повітря з місць, які найдалі від землі (іноді навіть вище даху заводу). Після цього, на них встановлюють масляні фільтри, які проводять первинну очистку. Мікроповітряні насоси вимагають установки фільтрів на всмоктуючих повітроводах. Турбоповітродувки вимагають установки фільтрів на нагнітальних лініях.

Часто застосовують фільтри "Лаїк". В якості фільтруючого матеріалу виступають тканина гідрофобна. Повітря з таким фільтром може очищатися протягом 3 місяців без потреби в заміні тканини. Чистота повітря зберігається в межах 97-99%. Зустрічаються фільтри, які в якості фільтруючого матеріалу використовують скловату.

Природно-чиста культура дріжджів.

Природно-чиста культура-це дріжджі, які піддаються вирощуванню в оптимальних умовах, при яких помірно подаються сторонні мікроорганізми з придушенням розвитку.

Температура росту доданих мікроорганізмів і дріжджів практично однакова. Вона також збігається з температурою нормального спиртового бродіння, а тому середовище регулюється за рахунок сірчаної або молочної кислоти шляхом зміни рН середовища. Звичайно, рН не такий приємний для активного розмноження дріжджів, проте такий підхід дозволяє отримати мікробіологічно чисту культуру.