Роль дріжджів в біотехнології

                                                                                                                                                                                          

ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………………….…3

1. Біотехнологія як наука ……………………………………………………..…....5
2. Дріжджі – об’єкти біотехнології………………………………………………...8
0. 2.2 Загальна характеристика дріжджів……………………………………….…9
0. 2.3 Історія досліджень біотехнологічних процесів за участю дріжджів…….12
3. Біотехнологічні виробництва на основі дріжджів…………………………….14

3.1 Виробництво спирту………………………………………………..............14

3.2 Виробництво мікробного білка……………………………….....................16

• 3.3 Особливості застосування дріжджів в пивоварінні та квасоварінні ……18

3.4 Виробництво вина….……………………………………………………….21

• 3.5 Виробництво харчових та кормових дріжджів …………………………..23

3.6 Хлібопечення…………………………………………………………..........24

ЗАКЛЮЧЕННЯ…………………………………………………………………….27

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ…………………………………………………………….29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

У 3 тисячолітті до н.е. шумери виготовляли до двох десятків видів пива. Не менш древніми біотехнологічними  процесами є виноробство, хлібопечення і здобуття молочнокислих продуктів. Древні єгиптяни і різні хети заквашували хліб осадом, що залишився після зціджування пива. Досить скоро в результаті неусвідомленого штучного відбору пивовари і хлебопекарі стали користуватися різними заквасками, хоча і зараз за допомогою пекарних дріжджів можна отримати брагу, придатну як для безпосереднього використання, так і для перегонки в домашніх умовах [2].

У традиційному, класичному, розумінні біотехнологія — це наука про методи і технології виробництва різних речовин і  продуктів з використанням природних  біологічних об'єктів і процесів. Власне сам термін "біотехнологія" з'явився в нашій мові не так давно, замість нього уживалися слова "промислова мікробіологія", "технічна біохімія" і ін. Термін "нова" біотехнологія в протилежність "старій" біотехнології застосовують для розділення біопроцесів, що використовують методи генної інженерії, нову біопроцесорну техніку, і більш традиційні форми. Так, звичайне виробництво спирту в процесі бродіння - "стара" біотехнологія, але використання в цьому процесі дріжджів, що покращуються методами генної інженерії з метою збільшення виходу спирту, - "нова" біотехнологія. Термін «біотехнологія» запропонував угорський інженер Карл Ереки (1917), коли описував виробництво свинини (кінцевий продукт) з використанням цукрового буряка (сировина) як корм для свиней (біотрансформація).  Під біотехнологією К. Ереки розумів «всі види робіт, при яких з сировинних матеріалів за допомогою живих організмів виробляються ті або інші продукти». Все подальші визначення цього поняття - всього лише варіації піонерського і класичного формулювання К. Ерекі [2].

Метою курсової роботи був детальний аналіз даних літератури присвячених вивченню ролі дріжджів в біотехнологічних процесах. Люди виступали в ролі біотехнологів тисячі років: пекли хліб, варили пиво, робили сир, інші молочнокислі продукти, використовуючи різні мікроорганізми і навіть не підозрювали про їх існування. Ймовірніше, прадавнім біотехнологічним процесом було бродіння. На користь цього свідчить опис процесу приготування пива, виявлений в 1981р. при розкопках Вавилона на дощечці, яка датується приблизно 6-м тисячоліттям до н.е. [2].

 

 

1. БІОТЕХНОЛОГІЯ ЯК НАУКА.

Біотехнологія як наука  є найважливішим розділом сучасної біології, котра, як і фізика, стала в кінці XX ст. одним з ведучих приорітетів в світовій науці та економіці. [16]

Біотехнологія (від греч. bios — життя, techne — мастерність і logos — слово, вчення), використання живих організмів і біологічних процесів в виробництві. [16]

Біотехнологія – сукупність промислових методів, використовуючих живі організми і біологічні процеси для виробництва цінних продуктів для народного господарства. Розвивається мікробіологічний синтез ферментів, вітамінів, амінокислот, антибіотиків і т.д. Перспективне промислове отримання інших біологічно активних речовин (гормональних препаратів, сполук, стимулюючий імунітет і т.п.) за допомогою методів генетичної інженерії і культури тваринних і рослинних клітин. [16]

Сплеск досліджень з біотехнології в світовій науці стався в 80-х роках, коли нові методологічні і методичні підході забезпечили перехід до ефективного їх використання в науці і практиці і виникла реальна можливість вилучити з цього максимальній економічній ефект. За прогнозами, вже на початку XXIст. біотехнологічні товарі будуть складати чверть всієї світової продукції. У нашій країні значне розширення науково-дослідницьких робіт і впровадження їх результатів у виробництво також було досягнуте в 80-і роки.

У цей період в країні була розроблена і активно здійснювалася  перша загальнонаціональна програма по біотехнології, були створені міжвідомчі біотехнологічні центри, підготовлені кваліфіковані кадри фахівців-біотехнологів, організовані біотехнологічні лабораторії і кафедри в науково-дослідних установах і вузах. Що стосується сучасніших біотехнологічних процесів, то вони засновані на методах рекомбінантних ДНК, а також на використанні іммобілізованих ферментів, клітин або клітинних органел. [16]

 

 

В межах курсу біотехнології  можна виділити такі частини:

1. Промислова біотехнологія, де розглядаються загальні принципи здійснення біотехнологічних процесів, відбувається знайомство з основними об'єктами і сферами вживання біотехнології, рядом великомасштабних промислових біотехнологічних виробництв, що використовують мікроорганізми. [10]

2.  Клітинна інженерія — незвичайно перспективний напрям сучасній біотехнології. Учені розробили методи вирощування в штучних умовах (культивування) клітин рослин тварин і навіть людину. Культивування клітин дозволяє отримувати різні коштовні продукти, що раніше добуваються в дуже обмеженій кількості через відсутність джерел сировини. Особливо успішно розвивається клітинна інженерія рослин. Використовуючи методи генетики, вдається відбирати лінії таких клітин рослин — продуцентів практично важливих речовин, які здатні зростати на простих живильних середовищах і в той же час нагромаджувати коштовні продуктів у декілька разів більше, ніж сама рослина. [10]

Біотехнологія знаходить  усе більш широке вживання і в  багатьох галузях промислового виробництва: розроблені методи використання мікроорганізмів  для витягання кольорових благородних металів з руд і промислових відходів, для підвищення нафтовіддачі пластів, для боротьби з метаном у вугільних шахтах. Так, для звільнення шахт від метану учені запропонували бурити свердловини у вугільних пластах і подавати в них суспензію з метаноокислюючихся бактерій. Таким чином удається видалити близько 60% метану ще до початку експлуатації пласта. А недавно знайшли простіший і ефективний спосіб: суспензією з бактерій обприскують породи виробленого простору, звідки найінтенсивніше виділяється газ. [19]

Можливості біотехнології  практично безмежні. Вона сміливо вторгується в самі різні сфери народного господарства. І в недалекому майбутньому, поза сумнівом, ще більш зросте практична значущість біотехнології у вирішенні найважливіших завдань селекції, медицини, енергетики, охорони довкілля від забруднень. [19]

3. Генна інженерія. Вищим досягненням сучасної біотехнології є генетична трансформація, перенесення чужорідних генів і інших матеріальних носіїв спадковості в клітини рослин, тварин і мікроорганізмів, здобуття трансгенних організмів з новими або посиленими властивостями і ознаками. По своїх цілях і можливостях в перспективі цей напрям є стратегічним. Проте для досягнення цих цілей належить здолати величезні труднощі в підвищенні ефективності генетичної трансформації і перш за все в ідентифікації генів, створенні їх банків клонування, розшифровці механізмів полігенної детерміації ознак і властивостей біологічних об'єктів, забезпеченні високої експресії генів і створенні надійних векторних систем. [10]

Сучасна біотехнологія  — це наука про генно-інженерні  і клітинні методи і технології створення  і використання генетично трансформованих  біологічних об'єктів для інтенсифікації виробництва або здобуття нового вигляду продуктів різного призначення. Сучасна біотехнологія тісно стикується з рядом наукових дисциплін, здійснюючи їх практичне вживання або ж будучи їх основним інструментом. [10]

Мікробіологічна промисловість  на даний момент використовує тисячі штамів різних мікроорганізмів. В більшості випадків вони покращені шляхом індукованого мутагенезу і подальшої селекції. [11]

Біотехнологія, або технологія біопроцесів - це виробниче використання біологічних структур для здобуття харчових і промислових продуктів  і для здійснення цільових перетворень. Біологічні структури в даному випадку - це мікроорганізми, рослинні і тваринні клітини, клітинні компоненти: мембрани кліток, рибосоми, мітохондрії, хлоропласти, а також біологічні макромолекули (ДНК, РНК, білки - найчастіше ферменти). [19]

Біотехнологія в цілому є системою прийомів направленого використання процесів життєдіяльності живих організмів для здобуття промисловим способом коштовних продуктів. [12]

2. ДРІЖДЖІ – ОБ’ЄКТИ БІОТЕХНОЛОГІЇ.

Дріжджі — внетаксономічна група одноклітинних грибів, що втратили міцеліальну будову у зв'язку з переходом до проживання в рідких і напіврідких, багатих органічними речовинами субстратах. Об'єднує близько 1500 видів, що відносяться до аскоміцетам та базидіоміцетів. З 500 відомих видів дріжджів першим люди навчилися використовувати Saccharomyces cerevisiae, цей вид найінтенсивніше культивується. До дріжджів, що зброджують лактозу, відноситься Kluyveromyces fragilis, який використовують для здобуття спирту з сироватки. Saccharomycopsis lipolytica деградує вуглеводні і уживається для здобуття білкової маси. Phaffia rhodozyma синтезує астаксантін - каротиноїд, який додає м'якоті форелі і лосося, що вирощуються на фермах, характерний помаранчевий або рожевий колір. [3]

Дріжджі широко розповсюджені  в природі – в воді, ґрунті, в нектарі квітів, в сокотечіях дерев, на поверхні листя рослин, на плодах, на харчових продуктах, в організмі комах, тварин і людини. Candida albicans може обумовлювати захворювання людини – кандидоз. [3]

Рис. 2.1. Схематичний поперечний розріз дріжджової клітини.                                   Д – диктиосома; Ж – жирова краплинка; КСm – клітинна стінка; Mum – мітохондрія; П – гранули поліфосфата; Руб – рубець, залишившийся в тому місці, де відбрунькувалась дочірня клітина; ЦПл – цитоплазма, яка містить рибосоми; ЕР – ендоплазматичний ретикулум; Яш – ядерце. [25]

Легко розмножуючись  на субстратах, які містять доступні розчинні джерела вуглецю (цукри, спирти, органічні кислоти), зокрема, на харчових продуктах, в соках, сиропі, пиві і т.д., дріжджі не викликають утворення токсичних речовин , але змінюють смак, запах і зовнішній вигляд харчових продуктів, викликаючи іх псування. Висока метаболічна активність дріжджів обумовила практичне використання їх в заквасках для хлібопечення, отримання кисломолочних продуктів (Candida kefir), вина, сидру, спирта (Saccharomyces cerevisiae). На  даний момент з дріжджів отримують ліпіди (Rhodotoruia), полісахариди (Aureobasidium polluians), білки (Candida tropicalis), багатоатомні спирти, органічні кислоти (Candida lipolytica), вітаміни (Candida quilliermondii – продуцент рибофлавіну, ферменти. В якості кормових добавок (БВК – білково-вітамінний комплекс) їх застосовують в раціонах сільськогосподарських тварин. В мікробіологічній промисловості розширилося використання дріжджів у зв’язку з їх здатністю зростати на дешевій сировині – вуглеводнях (Candida tropicalis), метанолі (Candida boidinii), етанолі (Hansenula anomala), гідролізатах торфа і деревини (Candida utilis). Таким чином, дріжджі мають велике народногосподарське значення і широко використовуються в практичній діяльності людини. [8]

2.2 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДРІЖДЖІВ.

Характерною вегетативною структурою аскоміцетів, базидіоміцетів і недосконалих грибів є ценоцитний міцелій. Проте в цих класах є декілька груп, що в основному втратили міцеліальний характер  зростання і що стали одноклітинними. Такі організми відомі під загальною назвою дріжджів. [23]

Переважне їх існування у вигляді одноклітинних форм дозволяє розглядати дріжджі у вигляді окремої групи. Їх клітини  бувають круглі, округлі (Trichosporon), яйцевидні (Candida), циліндричні (Endomyces), трикутні (Trigonopsis), лимоновидні (Nadsonia), грушовидні (Schizoblastorium), стріловидні (Brettanomyces), серповидні (Selenotila). Розміри клітин дріжджів коливаються від 1,5 – 2, Pichia до 10 мкм (Saccaromycoides) по ширині і досягають 20 мкм і більше в довжину. [8]

Рис. 2.2.1. Дріжджі розрізняються здатністю до утворення асків, утворення міцелію і брунькування. [13]

 До протоаскоміцетів (гриби з голими асками) відносяться дріжджі, або гриби, що брунькуються. Для дріжджів в широкому сенсі слова типовим способом безстатевого розмноження є брунькування; бінарне ділення спостерігається рідко. Клітини, що виходять в результаті брунькування, можуть залишатися сполученими, утворюючи псевдоміцелій; в іншому випадку вони розходяться. Аскоспори утворюються в голому аскі (сумці), що розвинувся із зиготи або з однієї вегетативної клітини. [25]

Представники сімейства Еndomycetaceae розмножуються брунькуванням, але утворюють також і міцелій. У Endomycopsis поряд з гіфами зустрічаються клітини, що брунькуються, і аски з аскоспорами. У Еndomyces lactis (=Geotrichum candidum=Oospora lactis) гіфи розпадаються на артроспори, тобто на окремі самостійні клітини. [25]

У Saccaromycetaceae, або власне дріжджів, міцелій відсутній. Пекарські та пивні дріжджі являють собою фізіологічні раси Saccaromyces cerevisiae. Галоїдні клітини які брунькуються можуть зливатись (копулювати). Після каріогамії може слідувати редукційний поділ (мейоз) і утворення чотирьох аскоспор. [25]

Під час статевого розмноження в результаті мейотичного поділу диплоїдного ядра дріжджів утворюються гаплоїдні спори – аксоспори (ендогенні) або споридії (екзогенні). Дріжджі різностатеві організми, тому розрізняють гомоталічні (злиття нащадків однієї спори або особин, утворившихся з однієї гаплоїдної клітини) і гетероталічні (кон’югація між клітинами – нащадками різних гаплоїдних клітин). Морфологічно різностатевість дріжджів нічим не проявляється, тому в мікології замість терміна «стать» використовується термін «тип парування», який позначається знаками «+» та «-»  або ж літерами гречеського або латинського алфавіту α і α₁ , h⁺ i h^- - відповідно. [8]