Технологии получения сухих хлебопекарных дрожжей из отходов сахорного производства свекловичной мелассы

 

Трипептид глютатион, содержащий в своем составе цистеин с -SH группой, находится в дрожжах как в окисленной, так и восстановленной формах. Количество восстановленного глютатиона увеличивается при хранении прессованных дрожжей при неблагоприятных условиях, повышенной температуре и т. д.

В состав углеводов дрожжей входят (в % с. в.): трегалоза - 8,6, маннан - 15,2, глюкан - 7,1, гликоген - 13,3.

 

2.  Жизнедеятельность дрожжей

1.2.1. Метаболизм дрожжевой  клетки

В благоприятных условиях культивирования  дрожжевые клетки всегда размножаются, масса их увеличивается. Это возможно только при поступлении в клетку питательных веществ извне, из окружающей водной среды. Питательные вещества, поступающие в дрожжевую клетку, непрерывно подвергаются разнообразным превращениям, которые приводят к росту микроорганизма, к увеличению его массы, к формированию клеточных веществ и, наконец, к размножению. Одновременно происходят и процессы разложения клеточных веществ. Продукты распада выделяются в среду, окружающую дрожжевую клетку. Процессы разложения и процессы окисления освобождают скрытую химическую энергию веществ, что позволяет дрожжевым клеткам осуществлять все те сложные превращения протоплазмы, которые связаны с питанием клетки и построением дрожжевой массы.

В окружающей дрожжи среде должны содержаться все те питательные  соли, которые нужны дрожжевым  клеткам, чтобы строить вещества протоплазмы, а также витамины, которые  не могут синтезироваться клетками.

Питательные вещества проникают в  дрожжевую клетку путем диффузии их через поверхностную оболочку, подчиняясь общим законам осмоса. В водных растворах, содержащих небольшие  концентрации веществ, всегда устанавливается  некоторый приток воды в протоплазму. Протоплазма оказывается плотно прижатой к оболочке клетки. Такое  состояние называется тургором. При  наличии тургора процессы обмена веществ в дрожжевой клетке протекают быстро и нормально.

При выращивании дрожжей в аэрируемой среде, содержащей все необходимые  для быстрого накопления биомассы компоненты, решающее значение для необходимой  скорости роста и размножения  дрожжей имеет концентрация таких  веществ, как азот, фосфор, калий, магний.

Скорость отпочковывания дочерних клеток и рост молодых мелких клеток обусловлены генеративной активностью дрожжей, которая свойственна хорошо упитанным дрожжевым клеткам дыхательного типа с содержанием большого количества азота, фосфора и ростовых веществ. Поэтому в условиях дрожжевого производства учитывают не только состав среды, но и должную концентрацию питательных веществ при условии, что осмотическое давление общего количества водорастворимых веществ в среде не превысит осмотического давления клеточного сока дрожжевых клеток.

При выращивании дрожжей на растворах  мелассы происходят процессы брожения с образованием спирта и процессы ассимиляции с превращением сахара в биомассу, в клеточное вещество дрожжей. Раньше было принято противопоставлять  дрожжевые клетки «бродильного»  и «дышащего» типа. В свете современных  представлений об изменчивости сахаромицетов  процессы брожения и дыхания, процессы превращения сахара в спирт или  расход его на накопление дрожжевой  массы рассматриваются как взаимосвязанные.

 

1.2.1.1. Анаэробный распад  углеводов

Ферментативная диссимиляция углеводов  в анаэробных условиях, происходящая с выделением энергии и приводящая к образованию продуктов неполного  окисления, называется брожением. В  этом процессе акцептором водорода служат органические соединения, получающиеся в реакциях окисления (например, уксусный альдегид при спиртовом брожении); кислород в этих реакциях не участвует.

Процесс сбраживания углеводов в отсутствии кислорода с образованием конечных продуктов - этанола и диоксида углерода - осуществляется через целый ряд промежуточных продуктов с участием многочисленных ферментов в соответствии с рисунком 2:

1) на  первой  стадии  этого  процесса  осуществляется  образование фосфорных эфиров сахаров. Происходит фосфорилирование глюкозы с участием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) катализируемое ферментом глюкокиназой;

2) образовавшийся   глюкозо-6-фосфат   подвергается   изомеризации, превращаясь под действием фермента глюкозофосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат;

Рисунок 2. Схема спиртового брожения.

3) фруктозо-6-фосфат подвергается дальнейшему фосфорилированию за счет аденозинтрифосфорной кислоты с участием фермента фосфофруктокиназы, в результате образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Этой реакцией заканчивается подготовительная стадия анаэробного и аэробного расщепления сахаров;

4) на этой стадии фруктозо-1,6-дифосфат при участии фермента альдолазы распадается на две молекулы фосфотриоз – фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон;

5) фосфотриозы   под   действием   фермента   триозофосфатизомеразы изомеризуются причем равновесие устанавливается при содержании 95% фосфоглицеринового альдегида и 5% фосфодиоксиацетона;

6) фосфоглицериновый      альдегид      окисляется      в       1,3-дифосфоглицериновую  кислоту  при участии фермента дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида;

7) образовавшаяся 1,3-дифосфоглицериновая кислота под действием фермента  фосфаттрансферазы  превращается  в 3-фосфоглицериновую кислоту;

8) Под   действием   фермента   фосфоглицеромутазы   3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту;

9) образовавшаяся 2-фосфоглицериновая кислота при участии фермента энолазы (фосфопируватгидратазы) превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту;

10) фосфоэнолпировиноградная кислота под действием фермента фосфотрансферазы (пируватфосфокиназы) превращается в энолпировиноградную, которая быстро превращается в более устойчивую кетоформу пировиноградной кислоты;

11) пировиноградная кислота под действием фермента пируватдекарбоксилазы превращается в углекислый газ и уксусный альдегид;

12) уксусный альдегид вступает во взаимодействие с коферментом дегидрогеназы НАДН (никотинамидадениннуклеотид) с образованием этилового спирта.

 

 

1.2.1.2. Аэробный распад  углеводов

 

В условиях аэробиоза распад углеводов  до образования пировиноградной  кислоты происходит так же, как  и при анаэробиозе, но в отличие  от него пировиноградная кислота  полностью окисляется до диоксида углерода и воды в цикле трикарбоновых  кислот ЦТК (цикле Кребса, лимоннокислотном цикле). В этом цикле последовательно протекают окислительно-восстановительные реакции, в которых под действием специфических дегидрогеназ происходит перенос водорода на молекулярный кислород (конечный его акцептор). Однако перенос осуществляется не непосредственно, а через молекулы-переносчики, образующие так называемую дыхательную цепь.

При катаболизме глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. Вначале одна из них подвергается реакциям окислительного декарбоксилирования, в результате которых образуется ацетил-КоА (активированная уксусная кислота):

 

СН₃ – СО – СООН + KoASH + НАД                СН₃ – СО – KoAS + НАД – Н₂  + СО₂.

Вторая молекула пировиноградной  кислоты под действием фермента пируваткарбоксилазы конденсируется с молекулой диоксида углерода с образованием щавелевоуксусной кислоты:

 

СН₃ – СО – СООН + СО₂ + АТФ                     НООС – СН₂ – СО – СООН + АДФ + Ф.

 

При установившемся цикле щавелево-уксусная кислота образуется из яблочной (малата).

Собственно ЦТК начинается с  конденсации ацетил-КоА с молекулой щавелево-уксусной кислоты (оксалоацетата), катализируемой ферментом цитратсинтазой. Продуктами реакции являются лимонная кислота (цитрат) и свободный кофермент А:

                                                                                                    CH2 – COOH

СН₂ – СООН

                                    +    СН3 – СО – S – KoA  + Н₂О           С (ОН) – СООН

C(OH) – COOH

                                                                                                                    CH2 – COOH

 

Дальнейшие превращения видны  из рисунка 3.

За один оборот молекулы пировиноградной  кислоты присоединяется 3 молекулы Н₂О, выделяется 5 молекул Н₂ и образуется 3 молекулы СО₂:

CH₃ – CO – COOH + 3H₂O                3CO₂ + 10H.

 

В ЦТК «сжигаются» не только углеводы, но и жирные кислоты (после предварительной  деградации до ацетил-КоА), а также многие аминокислоты (после удаления аминогруппы в реакциях дезаминирования или переаминирования).

В результате аэробного и анаэробного  распада углеводов дрожжам доставляется энергия и обеспечиваются процессы синтеза биомассы различными предшественниками. Из щавелево-уксусной и α-кетоглутаровой кислот в результате восстановительного аминирования и переаминирования образуются соответственно аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Аспарагиновая кислота может образовываться также из фумаровой кислоты. Синтез этих двух аминокислот — главное в синтезе белков из углеводов. При конденсации фосфодиоксиацетона с альдегидами могут образовываться пентозы, гексозы и различные полисахариды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Цикл трикарбоновых кислот.

1—цитратконденсирующий фермент (цитратсинтаза, цитратоксалоацетатлиаза ацетилирующая КоА), цитрогеназа; 2 — аконитаза (аконитатгидратаза); 3 — изоцитратдегидрогеназа (D-изоцитртат; НАД-оксидоредуктаза); 4 —кетоглутаратдегидрогеназа (комплекс ферментов); 5 — сукцинатилокиназа (сукцинил-КоА-синтетаза; сукцинат-КоА-лигаза (ГДФ)); 6 — сукцинатдегидрогеназа (акцептор-оксидоредуктаза); 7 — фумараза (фумаратгидратаза); 8 — малатдегидрогеназа (L-малат; НАД-оксидоредуктаза)

 

Так как при полном окислении  сахара энергии освобождается значительно  больше и образуется достаточное  количество реакционноспособных метаболитов  для синтетических процессов, то возрастает скорость размножения и  увеличивается биомасса дрожжей.

Таким образом, можно считать теоретически обоснованным биохимическое использование  cахаров среды при достаточном количестве в ней кислорода исключительно для синтеза биомассы. Именно количество растворенного в среде кислорода на стадии образования пировиноградной кислоты обуславливает направленность этого биохимического процесса в сторону брожения с образованием спирта или в сторону дыхания с накоплением дрожжевой массы.

При недостаточном количестве кислорода  в среде процессы накопления дрожжей  и спирта осуществляются одновременно. В аэробных условиях при достаточном  содержании кислорода весь сахар  может расходоваться на накопление биомассы; образование спирта может  сводиться к минимуму. Высокий  выход дрожжей в пересчете  на сахар получается в том случае, когда содержание алкоголя в среде  дрожжерастильных аппаратов не превышает 0,1 - 0,2%. Повышение количества спирта обусловлено недостатком аэрации среды или нарушением режима поступления питательных веществ. Поэтому показатель «процент алкоголя в среде» может использоваться как датчик для автоматического регулирования расхода воздуха и скорости притока среды. Можно получать максимальный выход биомассы при минимальном образовании спирта.

В процессе роста дрожжи непрерывно потребляют кислород, необходимый для  дыхания и синтеза клеточных  веществ. Кислород, растворенный в окружающей среде, диффундирует через оболочку дрожжевой клетки при наличии  разности концентрации его в среде  и в протоплазме клетки. В среде, окружающей клетку, концентрация кислорода должна постепенно возрастать и достигнуть максимально возможной величины (около 7 мг кислорода на 1 дм³ среды) при температуре 28-30 °С. Концентрация кислорода в дрожжевой клетке понижается вследствие того, что кислород непрерывно расходуется дрожжами.

В присутствии кислорода дрожжевые  клетки усиленно дышат, используя для  этого углеводы среды. В процессе дыхания происходит быстрый синтез белка и его распад; под влиянием дыхания углеводы и белки дрожжевых  клеток подвергаются непрерывному превращению; скорость роста дрожжей, таким образом, связана с интенсивностью дыхания.

Расход кислорода среды происходит тем быстрее, чем больше в ней  дрожжевых клеток. Недостаток кислорода  приводит к потере сахара. Он затрачивается  на спиртовое брожение в связи  с тем, что при недостатке кислорода  не происходит синтеза составных  веществ дрожжевой клетки. Расход кислорода на 1 г дрожжей составляет для молодых, растущих клеток 80-100 мг/ч, для более старых — 40-60 мг/ч. Большая потребность молодых клеток в кислороде, вероятно, обусловлена формированием безазотистых веществ дрожжевой клетки, на что затрачивается больше кислорода, чем на формирование белковых веществ.

Растворимость кислорода в мелассовом сусле составляет около 7 мг в        1 дм³, а при потреблении кислорода дрожжами количество его понижается до 1,5-1 мг в 1 дм³. Поэтому аэрация питательной среды должна осуществлять мгновенное насыщение ее кислородом. При снижении концентрации кислорода в среде до 1 мг на 1 дм³ размножение дрожжей почти прекращается.