Характеристика пивных дрожжей

Морфология дрожжей Saccharomycetaceae

Дрожжи — это скопление одноклеточных микроскопических дрожжевых клеток. Они представляют собой ценный материал в пивном производстве.

Величина дрожжевых клеток зависит от расы, физиологического состояния дрожжей и состава питательной среды. Прессованные дрожжи содержат около 30% сухих веществ и 70% воды. В сухих веществах дрожжей содержится 90−95% органических веществ и 5−10% неорганических веществ. Среди органических веществ имеются белки и азотсодержащие вещества-54−56%, углеводы-24−40%, жиры-2−4% (к массе сухих веществ). основная часть углеводов представлена гликогеном (запасное вещество), сходным по химическому строению с амилопектином крахмала. Среди неорганических веществ около половины фосфорной кислоты и 1/3 калия.

В золе дрожжей содержится (в %): Р₂О₅ — 47−53, К₂О — 28−40; СаО — 0,4 -11,3; МgО — 3,0 — 7,4; SiO₂ — 0,28 — 0,73; SiO₃ — 0,09 — 0,74; Сl -0,1−0,65. Кроме того, в небольшом количестве имеются S, Zn, Mn, Cu, Fe.

Фосфорные соединения имеют важное значение в обмене веществ дрожжевых клеток, так как входят в состав промежуточных веществ спиртового брожения, а калий играет первостепенную роль в осморегуляции клетки. Дрожжи богаты витаминами группы В, содержат эргостерин (провитамин D) и др. В дрожжах содержатся различные ферментные системы, участвующие в процессах гидролиза и синтеза, а также в процессах брожения и дыхания.

Дрожжи имеют разнообразную форму: круглую, эллиптическую, овальную, реже лимоннообразную и цилиндрическую, иногда сильно вытянутую в виде гиф. Форма и структура клеток непостоянна, она может изменяться в связи с изменением условий культивирования. Таллом дрожжей в наиболее простой форме представляет одну клетку. Эта клетка имеет все основные структуры, характерные для грибов. Иногда клетки могут объединяться в различные более или менее прочные структуры в виде ложного или настоящего мицелия. Дрожжевая клетка состоит из клеточной мембраны, цитоплазмы, внутри которой расположены органоиды (ядро, митохондрии, рибосомы, вакуоль, аппарат Гольджи) и включения (запасные вещества) в виде капелек жира, зерен гликогена и волютииа (рис. 1.1).

1 — цитоплазматическая мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — аппарат Гольджи; 4 — эндоплазматическая сеть; 5 — жировые капельки; 6 — митохондрия; 7 — ядро; 8 — рубец, где отпочковалась клетка; 9 — ядрышко; 10 — гранулы волютина (метахроматина); 11 — рибосомы; 12 — вакуоль; 13 — клеточная оболочка.

Молодые клетки имеют гомогенную цитоплазму, иногда небольшую вакуоль. С возрастом клетки появляется зернистость, вакуоль увеличивается. Размер клеток варьирует от 5 до 7 мкм в диаметре и от 8 до 12 мкм в длину. При таких небольших размерах клеток поверхность их в 1л бродящего виноградного сусла может достигать 10 м². Такая большая поверхность определяет активный обмен дрожжей с окружающей средой. С наступлением неблагоприятных условий возникают более устойчивые покоящиеся клетки — аскоспоры и сумки со спорами. Аскоспоры сохраняют форму вегетативных клеток, но отличаются от них более плотной плазмой, наличием гликогена, капель жира и утолщенными оболочками. Сумки со спорами обычно повторяют форму и размер вегетативных клеток. Форма и размер спор у различного рода спорогенных дрожжей отличаются. Существует 2 вида размножения дрожжей — вегетативное (бесполое) и половое с образованием спор. У большинства видов дрожжей вегетативное размножение осуществляется почкованием, редко делением.

Половое размножение происходит при неблагоприятных условиях, когда дрожжи перестают почковаться и превращаются в сумки (аски) со спорами — аскоспорами. Половой процесс заключается в копуляции (слиянии) 2 вегетативных клеток путем сближения их и образования копуляционного канала, в котором происходит слияние частей плазмы и ядра клеток, называемое кариогамией, с образованием диплоидной зиготы, представляющей 2 клетки, соединенные копуляционным каналом. Редукционное деление, или мейоз, сопровождаемое уменьшением числа хромосом вдвое, происходит сразу после полового процесса, и зигота превращается в аск с 4 гаплоидными спорами. Споры прорастают без копуляции. Так происходит размножение у дрожжей Zygosaccharomyces. У дрожжей Saccharomyces половой процесс происходит при слиянии спор или проросших из них клеток с образованием диплоидной зиготы, которая сразу начинает почковаться, образуя диплоидное потомство. Мейоз происходит непосредственно перед образованием спор.

а — аскоспоры; б — оплодотворение; в — хромосомная редукция; г — диплоидные клетки, преобразующиеся в аски и образующие аскоспоры в количествах, изменяющихся в зависимости от вида. Гаплоидная генерация изображена пустыми фигурами, диплоидная — заштрихована. А — Saccharomyces; Б — Zygosacharomyces; В — Saccharomycodes

Рост дрожжей складывается из 2 различных процессов: возрастания числа клеток и увеличения их биомассы, что вызывает изменение морфологических и физиологических свойств клеток дрожжей — их развитие. В процессе развития в жидкой питательной среде дрожжи проходят 4 основных фазы роста. Кривая роста описывает логарифмическую зависимость числа клеток от времени и позволяет различить несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной последовательности. Лаг-фаза характеризуется интенсивной метаболической активностью, хотя количество дрожжей не увеличивается или увеличивается незначительно. Она включает латентный (скрытый) этап, когда дрожжи адаптируются к новым условиям среды путем синтеза РНК и ферментов и подготавливаются к быстрому росту, который должен наступить за лаг-фазой. Количество РНК и белка возрастает в 8—12 раз, а содержание ДНК остается постоянным. Логарифмическая, или экспоненциальная фаза характеризуется максимальной скоростью роста, увеличением числа клеток в геометрической прогрессии. Культура состоит из «стандартных клеток». Однако вследствие истощения источников питания и накопления в среде продуктов обмена наступает стационарная фаза. Число клеток остается постоянным, число образующихся новых клеток равно приблизительно числу отмерших. В ней достигается максимальная плотность популяции. Фаза отмирания наступает с дальнейшим истощением среды и накоплением вредных продуктов обмена. Число живых клеток уменьшается, мертвых — возрастает. Начинается процесс автолиза мертвых клеток. Продлить время логарифмической фазы можно при использовании непрерывного метода брожения, когда состав среды остается постоянным вследствие непрерывного обновления. В виноделии непрерывные методы широко используются при сбраживании виноградного сусла, в производстве шампанского и хереса. Скорость роста выражается абсолютными и относительными показателями: абсолютный (валовой) прирост биомассы, удельная скорость роста, время генерации и др. Важным показателем физиологического состояния культуры является экономический коэффициент — отношение количества образовавшейся биомассы к количеству потребленного субстрата. Переход дрожжей из одной фазы в другую обусловлен изменением содержания в клетках физиологически важных соединений — аминокислот, белка, фосфатов, нуклеиновых кислот и др. По фазам роста на определенных участках кривой можно судить о стадиях развития и физиологическом состоянии дрожжей В основе жизни микроорганизмов лежит непрерывный обмен веществ, или метаболизм, состоящий из 2 составляющих — диссимиляции и ассимиляции. Дрожжи являются факультативными анаэробами. Процессы брожения и дыхания, аэробный и анаэробный распад углеводов играют основную роль в метаболизме дрожжевой клетки. Saccharomyces cerevisiae — один из наиболее изученных модельных организмов, на примере которого происходит исследование клеток эукариотов, они легко выращиваются и не являются патогенными для человеческого организма. По сравнению с кишечной палочкой (Escherichia coli), клетка дрожжей содержит в несколько раз больше ДНК и имеет более сложную организацию.