Физико-химические условия

Температура. Дрожжи относятся к мезофильным микроорганизмам, оптимальной температурой их размножения является 29–35 С. При температуре среды выше 36 С удельная скорость роста значительно снижается, а при 40–42 С рост дрожжей прекращается. Скорость образования спирта возрастает с повышением температуры, достигая максимума при 40 С. Температура 45–50 С для дрожжей губительна.

При низких температурах дрожжи не погибают, но их жизнедеятельность приостанавливается, при наступлении благоприятных условий нормальные функции восстанавливаются. Дрожжи хорошо переносят отрицательные температуры и в замороженном состоянии могут храниться длительное время. Однако при оттаивании и повторном замораживании – погибают.

Кислород. Хлебопекарные дрожжи являются факультативными анаэробами, поэтому получение энергии могут осуществлять двумя путями: анаэробным и аэробным. В обоих случаях глюкоза через ряд ферментативных реакций расщепляется с образованием двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). Этот процесс носит название гликолиза или «пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП)». Гликолиз является первым этапом спиртового брожения, энергетический и химический баланс которого выражают следующим уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 2Ф_н + 2АДФ = 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН + 2АТФ + 2Н₂О

Выход АТФ в пути ЭМП составляет две молекулы на молекулу глюкозы. В стандартных условиях он эквивалентен свободной энергии, равной 61 кДж/моль, поэтому эффективность брожения составляет 26 %. Гликолитическая последовательность реакций является примером амфиболического пути, т. е. пути, в ходе которого различные промежуточные продукты используются клеткой в биосинтетических реакциях. В частности, фосфорилированная глюкоза является предшественником в синтезе полимеров клеточной стенки и резервных углеводов, триозофосфаты используются в синтезе жиров, фосфоенолпируват и пируват – предшественники некоторых аминокислот. Однако, в аэробных условиях размножающимся клеткам требуется значительно больше промежуточных продуктов для биосинтетических реакций, чем происходит в пути ЭМП. К таким соединениям относятся сукцинат, 2-оксоглутарат, оксалоацетат, которые являются предшественниками в синтезе аминокислот.

Эти субстраты образуются при аэробном метаболизме углеводов в цикле Кребса (или цикле трикарбоновых кислот). Аэробный метаболизм углеводов имеет одинаковый механизм с анаэробным метаболизмом вплоть до образования пирувата. В аэробных условиях образующийся пируват превращается в ацетил-СоА, а затем поступает в цикл трикарбоновых кислот, в котором , пройдя ряд превращений, полностью окисляется в дыхательной цепи до диоксида углерода и воды. При этом выделяется значительно больше энергии, чем при спиртовом брожении:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 36АТФ

Таким образом, метаболизм углеводов является одним из центральных путей обмена, выполняя функцию не только основного поставщика энергии, но и главного источника углеродсодержащих фрагментов, которые необходимы для синтеза всех других компонентов клетки.

В результате основного обмена питательные вещества, использованные клеткой, ассимилируются и перерабатываются в компоненты цитоплазмы, обеспечивая этим прирост биомассы и ресинтез веществ клетки, и разлагаются, окисляются, освобождая нужную для жизни энергию. Продукты энергетического обмена выделяются из клетки вместе с продуктами диссимиляции компонентов клетки. Часть усвоенных веществ откладывается в виде запасных соединений (жиров, углеводов, волютина), которые могут быть использованы наравне с поступающими питательными веществами. В итоге сложных биохимических превращений происходит прирост биомассы.

Хлебопекарные дрожжи могут расти в условиях брожения с высокой скоростью (время удвоения около 1,6 ч), однако конечный выход клеток при этом оказывается незначительным. В условиях, благоприятствующих аэробному метаболизму, при такой же скорости роста достигается гораздо больший выход клеток. Тот факт, что при одинаковом количестве сахара в аэробных условиях получается гораздо больше дрожжей, чем в анаэробных, впервые был замечен Пастером, и потому это явление носит название эффект Пастера. При изменении условий аэрации дрожжи способны переходить от брожения к дыханию и наоборот. Однако и в аэробных условиях они могут сохранять некоторую долю активности брожения. Чем выше концентрация сахара в среде , тем сильнее тормозится дыхание и тем активнее брожение (эффект Кребтри, или катаболитная репрессия), что приводит к снижению прироста биомассы.

В многостадийном дрожжевом производстве на первых стадиях дрожжи размножаются в анаэробных условиях, а далее от одной стадии к другой аэрация среды увеличивается при снижении доли сахара, приходящегося на одну клетку. В простой периодической культуре размножение дрожжей проходит в несколько фаз:

– лаг-фаза, во время которой дрожжи адаптируются к питательной среде;

– фаза экспоненциального роста, когда происходит активное размножение клеток;

– стационарная фаза, в которую рост клеток замедляется;

– фаза отсутствия роста и размножения дрожжей.

Концентрация сухих веществ в среде должна быть ниже, чем давление клеточного сока. Это способствует лучшему проникновению через оболочку растворенных питательных веществ и их усвоению дрожжевой клеткой. Питательные вещества проникают в клетку через клеточную стенку, подчиняясь общим законам осмоса. В водных растворах, содержащих небольшие концентрации веществ, всегда устанавливается некоторый приток воды в протоплазму, которая при этом оказывается плотно прижатой к оболочке клетки. Такое состояние называется тургором. При наличии тургора процесс обмена веществ в дрожжевых клетках протекает быстрее, чем в более концентрированных растворах. В растворах солей и сахаров с повышенным осмотическим давлением происходит плазмолиз клеток, т. е. отделение протоплазмы от оболочки.

Активная кислотность среды (рН). Дрожжи сохраняют жизнедеятельность в широком диапазоне рН (от 1,5 до 10,0). Оптимальным для размножения является рН 4,0–5,5. При величине рН 5,5–6,0 активность размножения дрожжей не снижается, стойкость – возрастает, а цвет биомассы дрожжей получается более светлый. Однако такая величина рН способствует более сильному пенообразованию. Значительные отклонения рН от оптимальных величин отражаются на активности ферментов, проникновении питательных веществ в дрожжевую клетку и интенсивности дыхания. При этом тормозится аминокислотный обмен клетки, что приводит к снижению выхода и качества дрожжей.

Ингибиторы дрожжей. Торможение или полную остановку жизнедеятельности хлебопекарных дрожжей могут вызвать присутствующие в питательной среде вредные примеси и ингибиторы (табл. 1.5).

Таблица 1.5