Особенности метаболизма хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae

Введение


Дрожжи рода Saccharomyces, в частности вид S. cerevisiae, играют ключевую роль в развитии современной биотехнологии. Их уникальный метаболизм, включающий как анаэробный (гликолиз), так и оксидативный пути энергетического обмена, делает их незаменимым инструментом в различных отраслях промышленности.
Способность дрожжей реализовывать каждый из этих путей независимо, а также одновременно, послужила основой для получения продуктов брожения, таких как пиво, а также биомассы хлебопекарных дрожжей.
Актуальность работы заключается в том, что для создания высокоэффективных пищевых технологий, основанных на культивировании S. cerevisiae, необходимо глубокое понимание особенностей их метаболизма и физиологии.

1 Обзор литературы


1.1 Дрожжи – как биологический объект и условия их существования

Дрожжи являются исключительно ценным объектом для изучения широкого спектра биологических процессов. Именно с помощью дрожжей были проведены основополагающие исследования в области радиобиологии, а также сделаны значимые цитологические и генетические открытия, имеющие фундаментальное значение для всей биологии, такие как цитоплазматическое наследование и генетическая автономия митохондрий. [3,14,28]

1.1.1 Систематика дрожжей, применяемых в бродильных производствах

В современной микологической практике преобладает классификация Крегер-ван Рэя. Согласно которой, дрожжи, используемые в хлебопекарном, пивоваренном, винодельческом и спиртовом производствах, относятся к царству Mycota,, отделу Eumycota, классу Ascomycetes, семейству Saccharomycetaceae, роду Saccharomyces и виду cerevisiae [10,12,14].

1.1.2 Морфология дрожжей

Клетки дрожжей S. cerevisiae характеризуются округлой, яйцевидной или эллипсоидной формой. Их размеры варьируются от 2,5 до 10 мкм в диаметре и от 4,5 до 21 мкм в длину. Форма и размер клеток определяются генетически и могут подвергаться незначительным изменениям в зависимости от условий культивирования и последующей обработки для получения коммерческих дрожжей (например, обезвоживание) [1,5,11,13,16,12,17,23].
Структуры, обнаруживаемые в клетке можно классифицировать, как постоянные и периодически появляющиеся (рисунок 1).
Постоянные структуры представлены различными органеллами – клеточными компонентами, выполняющими специфические функции. К ним относятся ядро с ядрышком, клеточная стенка, рибосомы, митохондрии, цитоплазматическая мембрана, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, лизосомы, гликосомы, хитосомы и множество других мембранных структур. Все органеллы окружены мембранами, состав которых включает большое количество фосфолипидов. Количественный и качественный состав фосфолипидов в мембранах специфичен для каждой органеллы.

1.1.3 Цикл развития дрожжей

Клеточный цикл состоит из четырёх основных фаз, длительность которых приблизительно равна:
G1-фаза (предсинтетическая) характеризуется синтезом ферментов, необходимых для образования почки и дупликации ДНК. Фаза завершается появлением почки – «выпячиванием» на поверхности клетки. Инициация образования почки сопровождается ослаблением клеточной стенки под действием литических ферментов. При неблагоприятных условиях культивирования, если размер отделившейся дочерней клетки не достиг размера материнской, длительность G1-фазы увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут критический размер.
S-фаза (синтетическая) завершается, когда почка достигает 1/3 размера материнской клетки. В этой фазе происходит удвоение ДНК.
G2-фаза (постсинтетическая) характеризуется дальнейшим увеличением размера клетки и распределением ядерного материала между материнской и дочерней клеткой.
Митоз включает в себя кариокинез - деление ядра, и цитокинез - деление клетки. В период митоза размер почки продолжает увеличиваться до размера материнской клетки.

1.1.4 Размножение дрожжей

Дрожжи – это одноклеточные организмы, размножающиеся почкованием [2,8,12,13,16,20] (рис. 3). Этот процесс характеризуется образованием дочерней клетки в виде маленькой почки, которая увеличивается в размере на протяжении большей части клеточного цикла. По достижении размера материнской клетки между ними формируется перегородка сложного состава. После отделения почки на материнской клетке остается рубец - дочерний шрам, а на дочерней клетке – родовой шрам.
Важно отметить, что на одном и том же участке клеточной стенки почка не образуется дважды. Следовательно, каждая новая почка оставляет новый дочерний шрам на стенке материнской клетки. Подсчитывая количество таких шрамов, можно определить количество образовавшихся почек и оценить возраст клетки [12].


Рисунок 3 – Процесс почкования [16]

Определение типа спаривания у дрожжей является генетическим механизмом, который диктует какой тип характерен данной клетке дрожжей.
У S. cerevisiae в жизненном цикле присутствуют как диплоидная, так и гаплоидная (аскоспора) стадии. Определение типа спаривания происходит исключительно у гаплоидных форм. Возможны два типа спаривания: a и α. Тип спаривания определяется одним локусом — MAT, который отвечает за характеристики, свойственные каждому половому типу. В ходе каждого клеточного цикла гаплоидная клетка способна изменить пол посредством особой формы генетической рекомбинации — конверсии генов [1, 25, 26]. Данный механизм переключения типов спаривания у S. cerevisiae был предложен в конце 1970-х годов А. Херсковицем, Дж. Хиксом и Дж. Стразнером [7].

1.1.5 Химический состав дрожжей

Химический состав дрожжей является переменной величиной и определяется рядом факторов, включая расовую принадлежность, состав питательной среды и физиологическое состояние самих дрожжей.
В отпрессованном виде дрожжи состоят из сухих веществ (от 24 до 30 %) и воды (от 70 до 76 %). Сухие вещества, в свою очередь, представлены органическими соединениями, включающими азотистые вещества ( от 35 до 65 %), безазотистые экстрактивные вещества (от 20 до 63 %), жиры (от 2 до 5 %) и минеральные вещества (от 5 до 11 %) [2].
Вода является преобладающим компонентом, присутствуя как в свободной, так и связанной формах. Свободная вода необходима для биохимических процессов, таких как дыхание и гидролиз. Связанная вода интегрирована в клеточные структуры и молекулы, например, ДНК, и труднее удаляется при сушке или замораживании.

1.2 Метаболизм дрожжей

Метаболизм представляет собой совокупность всех ферментативных реакций, протекающих в клетке, а также их организации и регуляции.
С биохимической точки зрения обычно рассматриваются отдельные метаболические пути, на самом деле они не существуют изолированно, а являются частью единого, взаимосвязанного процесса.

1.2.1 Превращение веществ при аэробном и анаэробном метаболизме дрожжей

Для своего развития, роста и размножения дрожжевая клетка нуждается в веществах, растворимых в воде. Эти вещества клетка разлагает, и из продуктов распада образуются белки протоплазмы, углеводы, жиры, фосфаты и ряд других веществ. Для жизнедеятельности клетке нужна химическая энергия.
Процессы обмена веществ в дрожжевой клетке протекают с участием биологических катализаторов, в состав которых входят экзо- и эндоферменты.

1.2.2 Конструктивный обмен дрожжей

В целях регулирования химического состава дрожжей необходимо рассмотреть механизмы образования ключевых соединений: структурных компонентов, запасных углеводов, аминокислот, используемых для синтеза белка, и жиров.
Запасные углеводы в клетках дрожжей представлены тремя фракциями: трегалозой, гликогеном растворимым в уксусной кислоте и растворимым в хлорной кислоте. Аккумуляция метаболически активных фракций происходит не синхронно. Содержание гликогена увеличивается в фазе замедления роста, тогда как трегалоза накапливается при переходе культуры в стационарную фазу.
Синтез гликогена начинается с образования уридиндифосфат-глюкозы (далее, УДФГл) под действием фермента глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазы. Гликоген-синтаза-Д-фосфатаза катализирует присоединение глюкозных остатков УДФГл к полисахаридному акцептору.
Трегалоза, являющаяся резервным дисахаридом, состоит из двух гликозидных остатков. Синтез трегалозы, подобно синтезу гликогена, начинается с образования УДФГл. При этом трегалозофосфат синтезируется как из УДФГл, так и из глюкозо-6-фосфата при участии – α,α -трегалозофосфатсинтазы. Трегалоза образуется под действием трегалозофосфатазы.

1.3 Влияния физико-химических факторов на образование биомассы хлебопекарных дрожжей

Активность дрожжевых клеток существенно зависит от кислотности (pH) среды. Дрожжи способны выживать в широком диапазоне pH, от 2,5 до 6,5. При культивировании дрожжей на мелассе оптимальным значением pH является от 4,5 до 5,8, что способствует активному росту и размножению клеток. Кислотность среды напрямую влияет на транспорт питательных веществ в клетку, активность ферментов и синтез витаминов.
При аэробном культивировании дрожжей Saccharomyces при pH ниже 4,0 наблюдается замедление биомассы, а при pH от 3,0 до 3,5 – полная остановка роста клеток. Этот феномен часто возникает при быстром росте биомассы на мелассовой среде с использованием сульфата аммония в качестве источника азота. В фазу интенсивного роста и потребления аммонийного азота pH среды резко снижается до значений ниже 3,0.
При понижении pH до 2,8-3,8 происходит ингибирование роста дрожжей и, как следствие, уменьшение накопления биомассы.
Повышение pH среды во время культивирования обусловлено выделением аммиака, которое наблюдается в процессе автолиза дрожжевых клеток. Автолиз возникает при недостатке питательных веществ или несоответствии между количеством накапливающейся в течение часа биомассой и объемом поступившей питательной среды.
Иногда при повышении pH нарушается фосфорное питание дрожжей, поскольку фосфорно-кальциевые соли переходят в нерастворимые трикальцевые фосфаты, способствующие пенообразованию. В таких случаях добавление пеногасителя оказывается неэффективным [6].




2 Собственное исследование


2.1 Материалы и методы исследования

Хлебопекарные дрожжи являются незаменимым ингредиентом в производстве хлебобулочных изделий. Их качество напрямую влияет на вкус, текстуру и свежесть готовой продукции.
Выбор качественных сухих дрожжей является залогом успеха в производстве хлебобулочной продукции. Регулярный контроль качества и соблюдение условий хранения гарантируют стабильный результат и высокое качество готовых изделий [15].
В данной работе в качестве объекта исследования использовались сухие пекарских дрожжи следующих торговых марок:
1 «Волшебное дерево»;
2 «Саф-момент»;
3 «Фермипан»;
4 «Dr. Bakers»;
5 «Фарсис»;
6 «Воронежские»;
7 «Angel»;
8 «Becmaya»;
9 «С. Пудов».
Образцы для исследования приобретались в сетевых розничных магазинах и на маркетплейсах (в связи с ограниченным ассортиментом товара).
Целью данного исследования является изучение активности сухих пекарских дрожжей разных производителей.
Данный эксперимент проводился в домашних условиях. Исследования проводились в течение 9 дней (с 15.12 по 23.12.2024), с максимальной стабильностью условий проведения опытной части.
Все, используемые дрожжи соответствовали заявленному сроку годности указанному на упаковке.
Опытную часть условно можно разделить на несколько этапов:
1 Описательная характеристика образцов (внешний вид, состав, срок годности);
2 Непосредственно приготовление дрожжевого теста;
3 Измерение увеличения объема теста за 90 минут с использованием прозрачной ёмкости с прямыми стенками с помощью линейки. На внешней стороне стенки формы фиксировался уровень теста в момент первоначального заполнения и по истечению указанного времени.
4 Оценка качества готовой продукции (на вкус и пористость мякиша)
Оборудование: духовой шкаф, термометр, таймер, линейка, кухонный инвентарь и посуда.
Заключение


В результате проведенного исследования образцов сухих хлебопекарных дрожжей можно отметить, что разные производители демонстрируют заметные различия в качестве готовой продукции, приготовленной по одной рецептуре. Эти различия проявлялись на каждом этапе исследования и выражались в: разной скорости изменения объема теста; разной пористости, эластичности и липкости мякиша; наличии или отсутствии постороннего запаха и вкуса.