1.4. Факторы, влияющие на метаболизм дрожжей Питательные вещества

Среды для культивирования дрожжей должны содержать все необходимые им химические элементы в достаточно легко усвояемой форме: источник углерода для роста и энергии, источник азота для синтеза белков других азотсодержащих соединений, а также различные неорганические элементы для создания нормальной структуры клетки. Кроме того, дрожжи для своего развития нуждаются в более сложных веществах – витаминах.

Все эти вещества, растворенные в питательной среде, поступают путем диффузии внутрь клетки и используются дрожжами для построения необходимых соединений и получения необходимой для жизнедеятельности энергии.

Основным сырьем для производства хлебопекарных дрожжей служит свекловичная меласса, которая содержит углеводы, азотсодержащие и не содержащие азота органические вещества, стимуляторы роста, зольные и другие компоненты.

Углеводы. Меласса содержит 46–50 % сахарозы и представляет собой ее насыщенный раствор. Кроме сахарозы в мелассе имеется около 3 % раффинозы. Источниками углерода для дрожжей могут быть также другие органические соединения: спирты, органические кислоты, аминокислоты, ненасыщенные жирные кислоты (особенно олеиновая). Дрожжи усваивают глюкозу, сахарозу, мальтозу, частично раффинозу.

Азотсодержащие вещества. Содержание этих веществ в мелассе составляет от 5 до 20 % от ее массы. Источники азота, необходимые для синтеза азотсодержащих компонентов клетки (аминокислот, белков, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и некоторых витаминов) должны содержаться в среде в виде органических или неорганических соединений. В мелассе азот входит в следующие соединения, %: бетаин и протеи – 65,0; аминокислоты – 31,0; амиды – 1,62; аммонийные соли – 2,61. Из всех видов азотсодержащих веществ дрожжи способны усваивать только азот аминокислот. В мелассе обнаружено 17 аминокислот (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Аминокислотный состав свекловичной мелассы

Аминокислоты	Содержание, % к массе мелассы	Аминокислоты	Содержание, % к массе мелассы
Лейцин + изолейцин	0,6–2,9	Треонин + глицин	0,2–0,9
Фенилаланин	Следы	Глутаминовая кислота	0,6–1,8

Окончание табл. 1.1

Аминокислоты	Содержание, % к массе мелассы	Аминокислоты	Содержание, % к массе мелассы
Валин + метионин + триптофан	0,4–1,3	Серин	0,7–2,5
Аминомасляная кислота	0,7–1,8	Аспарагиновая кислота	0,2–0,5
Тирозин	0,8–0,9	Аргинин + лизин + гистидин	Следы – 0,7
Пролин	Следы	Цистин	Следы
Аланин	0,5–2,3

Аминокислоты. Аминокислоты образуют в клетках свободные фонды, так называемые пулы, которые локализованы в вакуолях. Количество аминокислот зависит от физиологического состояния дрожжей и условий культивирования. В дрожжевой клетке из аминокислот синтезируются белки, витамины, ферменты и другие биологически активные вещества. Среди разнообразных свободных аминокислот в дрожжах содержатся все незаменимые аминокислоты, т. е. состав белковых веществ дрожжей является практически полноценным.

Содержание основных аминокислот в г/100 г сухих веществ следующее: лизин – 8,2; валин – 5,5; лейцин – 7,9; изолейцин – 5,5; треонин – 4,8; метионин – 2,5; фенилаланин – 4,5; триптофан – 1,2; цистин – 1,6; гистидин – 4,0; тирозин – 5,0; аргинин – 5,0.

Важнейшими аминокислотами, которые оказывают влияние на размножение дрожжей, являются аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Так, их присутствие в питательной среде снижает потребность дрожжей в биотине, а также приводит к повышению репродуктивной активности клеток. При наличии в среде необходимого набора аминокислот дрожжи потребляют их без дезаминирования и используют избирательно в тот или иной период роста. Некоторые аминокислоты могут являться источниками эндогенного дыхания клеток: глицин, метионин, триптофан, аспарагиновая кислота, аминомасляная кислота, серин, глютаминовая кислота.

Дрожжи могут эффективно синтезировать все необходимые аминокислоты из углеводов и аммония, но на практике они в первую очередь используют свободные аминокислоты из питательной среды или аминокислоты, гидролизованные в вакуолях из пептидов.

В качестве неорганических источников азота дрожжи могут также использовать сернокислый и фосфорнокислый аммоний, аммиак, аммиачные соли уксусной, молочной, яблочной и янтарной кислот в случае добавления их в питательную среду.

Витамины. Дрожжи содержат ряд витаминов группы В, которые служат биологическими катализаторами химических реакций или участвуют в биохимических процессах, протекающих в клетке, а также в обмене веществ, преимущественно в составе ферментных систем. Витамины входят в состав многих ферментов и необходимы для нормального обмена веществ и жизнедеятельности клетки. В силу своей необходимости витамины относят к так называемым факторам роста.

Содержание основных витаминов в мкг/ 1г сухих веществ следующее: тиамин – 165; рибофлавин – 100; ниацин – 585; пиридоксин – 20; фолиевая кислота – 13; пантетонат кальция – 100; биотин – 0,6; парааминобензойная кислота – 160; холин-хлорид – 2710; инозит – 3000.

Витамин В₁ (тиамин, аневрин). Стимулирует биосинтез и активирует деятельность ферментов зимазного и мальтазного комплексов; термоустойчив, выдерживает стерилизацию сред. Производное витамина В₁ – тиаминпирофосфат – является кофактором многих ферментов, катализирующих процессы декарбоксилирования. Тиамин является стимулятором роста дрожжей.

Витамин В₂ (рибофлавин). Производные рибофлавина являются кофакторами многих оксидоредуктаз и играют важную роль в окислительно-восстановительных реакциях. Дрожжевая клетка синтезирует рибофлавин в количестве, необходимом для биосинтеза.

Витамин В₃ (пантотеновая кислота). Один из главных стимуляторов роста и ферментативной активности дрожжей. Производное пантотеновой кислоты – кофермент ацилирования СоА – является кофактором многих ферментов. С его участием осуществляются реакции окисления с образованием ацетил-СоА. Последний принимает участие в образовании яблочной и лимонной кислот, синтезе каротиноидов и других веществ. Обычно в мелассе содержится достаточное для биосинтеза количество пантотеновой кислоты. Кроме того, дрожжи могут использовать вместо нее присутствующий в мелассе -аланин. Последний образуется также в результате декарбоксилирования аспарагиновой кислоты.

Витамин В₅ (витамин РР). Представляет собой амид никотиновой кислоты, является важным стимулятором роста дрожжей. Никотинамиднуклеотидные коферменты, участвующие в переносе водорода и электронов, содержат в своей молекуле амид никотиновой кислоты. Основные представители этой группы – никотинамидаде-ниндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Эти вещества синтезируются дрожжами и содержатся в них в больших количествах при наличии в среде никотиновой кислоты.

Витамин В₆ (пиридоксин). Стимулирует биосинтез и повышает бродильную активность дрожжей. Производные пиридоксина – пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат – являются кофакторами трансфераз, катализирующих превращения амино- и тиаминокислот. Пиридоксин содержится в мелассе, однако не всегда в достаточном количестве.

Витамин В₈ (мезоинозит, инозит). Является активным стимулятором роста дрожжей, регулирует жировой обмен, требуется клеткам в больших количествах. Эта потребность полностью обеспечивается мелассой.

Витамин В₉ (фолиевая кислота). Является активным стимулятором ферментативной активности дрожжей. Производное витамина В₉ – тетрагидрофолиевая кислота – служит кофактором трансфераз и прочно связана с белковой частью фермента. В процессе катализа образуется формилтетрагидрофолиевая кислота, участвующая в биосинтезе пуриновых нуклеотидов, а также оксиметилтетрагидрофолиевая кислота, которая служит переносчиком оксиметильной группы – СН₂ОН в биосинтезе серина, метионина и тиамина. Потребность дрожжей в фолиевой кислоте обеспечивается мелассой.

Витамин В₁₂ (кобаламин). Стимулирует рост и ферментативную активность дрожжей, что связано с наличием в витамине В₁₂ ионов кобальта. Производные этого витамина – кобамидные коферменты – являются кофакторами лиаз, изомераз и лигаз. Дрожжи, культивируемые в мелассных средах, обычно не испытывают недостатка в витамине В₁₂.

Витамин В₁₅ (пангамовая кислота). Принимает участие в ферментативных реакциях трансфераз, например, служит донором метильных групп в процессах трансметилирования.

Витамин D₂ (эргокальциферол). Дрожжевая клетка синтезирует в больших количествах провитамин D₂ – эргостерин, который регулирует фосфорно-кальциевый обмен. Эргостерин – основной стерин дрожжей играет важную роль в структуре цитоплазматической мембраны. Эфиры эргостерина присутствуют в цитоплазме и используются во время роста клеток. После исчерпания запасов кислорода в среде ненасыщенные жирные кислоты и эргостерин становятся важнейшими питательными веществами, необходимыми для продол-жения роста клеток.

Биотин (витамин Н или В₇). Важнейший фактор роста дрожжей, стимулирует биосинтез и ферментативную активность. Биотин является кофактором некоторых лигаз и карбоксилтрансфераз, играет важную роль в обмене углеводов, липидов и нуклеиновых кислот. Дефицит биотина в культуральной среде отражается на всех функциях клетки. Дрожжи являются ауксотрофами по отношению к биотину – не синтезируют его, поэтому наличие биотина в среде является обязательным. Свекловичная меласса не обеспечивает потребности дрожжей в биотине, поэтому его необходимо вносить в питательную среду.

Содержание важнейших витаминов в клетках и их роль в обмене веществ дрожжей приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2.