Технологии получения сухих хлебопекарных дрожжей из отходов сахорного производства свекловичной мелассы

2. Стадии развития дрожжей

Дрожжевой клетке, как и всем микроорганизмам, присущи четыре основные фазы роста: лагфаза, фаза логарифмического роста, стационарная фаза и фаза отмирания. Однако процесс выращивания дрожжей предусматривает только первые три фазы. Фазы отмирания клеток не должно быть в дрожжевом производстве.

Лагфаза — это период, во время которого внесенные в питательную среду дрожжевые клетки адаптируются к окружающей среде. Их ферментные системы перестраиваются на синтез биомассы. Происходит активный синтез аминокислот, полифосфатов, рибонуклеиновых кислот (РНК). Клетки подготавливаются к почкованию, масса их увеличивается в результате увеличения размеров клеток. Дрожжи в это время не размножаются. Продолжительность этого периода зависит от активности ферментных систем клетки, количества засевного материала, количества и состава питательного субстрата, в который помещены клетки, а также от температуры, рН, аэрации культуральной среды и др. В этот период клетки обладают повышенной чувствительностью к внешним воздействиям.

Фаза логарифмического роста характеризуется  высокой активностью размножения  клеток. При обеспечении их необходимыми питательными и ростовыми веществами, а также при отсутствии лимита по растворенному кислороду в  культуральной среде, количество почкующихся клеток быстро увеличивается, достигая 70-80 %. Биомасса дрожжей при этом постепенно повышается вследствие образования новых дочерних клеток, которые, вырастая до материнской клетки, начинают почковаться, образуя новую генерацию. После отпочковывания молодой клетки материнские клетки вновь начинают почковаться.

В этой фазе наблюдается максимальная скорость роста дрожжевых клеток. Продолжительность периода зависит  от количества питательных веществ в среде, аэрации, количества образовавшихся продуктов метаболизма клеток. При периодическом процессе скорость роста постепенно понижается вследствие недостатка источников питания, накопления ингибирующих продуктов или некоторых изменений физических свойств среды. При условии постоянного пополнения среды питательными веществами и выведении из культуральной среды вредных продуктов обмена клеток период логарифмического роста может продолжаться практически бесконечно. На этой особенности микроорганизмов основано непрерывное культивирование микроорганизмов, в частности хлебопекарных дрожжей.

Устойчивость к неблагоприятным  условиям внешней среды в этот период повышается.

В стационарной фазе образование новых  клеток практически прекращается, заканчивается  также и их почкование, так как  питательные вещества в дрожжерастильный аппарат не поступают. Для поддержания жизнедеятельности клетки используют оставшиеся в культуральной среде питательные вещества. Клетки увеличиваются в размере, масса их также возрастает. Прирост биомассы в этой фазе может составить 5—10 % от массы дрожжей, накопленных в логарифмический фазе. Ферментные системы клеток перестраиваются с активного синтеза биомассы на процессы обмена, поддерживающие их жизнедеятельность. Устойчивость клеток к окружающей среде значительно повышается. Эта фаза соответствует дозреванию клеток в дрожжевом производстве.

Фаза отмирания характеризуется  отсутствием роста и размножения  микроорганизмов. Масса клеток уменьшается, так как все питательные вещества культуральной среды использованы в предыдущей фазе. Для поддержания жизнедеятельности клетки начинают использовать собственные запасы. Наблюдается автолиз клеток. Качество дрожжей резко ухудшается. Технологическим процессом получения хлебопекарных дрожжей эта фаза не предусматривается, так как дрожжи выделяют из культуральной среды. Она может быть только при аварии, например при поломке сепараторов, когда дозревшие дрожжи длительное время простаивают в дрожжерастильных аппаратах без притока питательных веществ и др.

Для повышения съема биомассы с  дрожжерастильного аппарата необходимо технологический процесс вести так, чтобы сократить до минимума период лагфазы и увеличить фазу логарифмического роста. От этих двух фаз зависят в основном выработка и выход дрожжей. Стационарная фаза также влияет на величину этих двух показателей. Однако от правильности ведения процесса в этой фазе в основном зависит качество готового продукта (хлебопекарное достоинство и сохранность дрожжей).

 

3. Влияние на жизнедеятельность дрожжей условий

культивирования и состава  среды

 

На жизнедеятельность дрожжевых  клеток оказывают значительное влияние такие факторы внешней среды, как температура, рН, аэрация, концентрация осмотических веществ, а также некоторые химические соединения.

 

1.  Температура

 

Дрожжи относятся к мезофильным микроорганизмам, температурный оптимум 26-34 °С. В зависимости от расы в диапазоне температур 20-36 °С удельная скорость роста возрастает прямо пропорционально повышению температуры. При температуре выше 36 °С удельная скорость роста сахаромицетов резко падает и практически прекращается при 40 °С, несахаромицеты при этом продолжают рост.

Подъемная сила хлебопекарных дрожжей  наилучшая при температуре     30 °С.

Повышение температуры культивирования  приводит к уменьшению выхода дрожжей в результате снижения содержания влаги и в связи с этим — массы дрожжевых клеток, а также вследствие интенсификации размножения посторонних дрожжей и бактериальной микрофлоры. Инфицирующая микрофлора потребляет субстрат, предназначенный для дрожжей, и, в свою очередь, снижает выход сахаромицетов. При температуре 45—50 °С дрожжи погибают.

Низкие температуры дрожжи не убивают, но приостанавливают их жизнедеятельность, наступает состояние анабиоза с  последующим восстановлением нормальных функций при наступлении благоприятных условий. Дрожжи хорошо переносят минусовые температуры и в замороженном состоянии могут храниться неограниченное время. Оттаивание и повторное замораживание их убивает.

 

1.2.3.2. Активная кислотность

 

Дрожжи сохраняют жизнеспособность в широких пределах колебания    рН — от 2,5 до 6,5. Оптимальная величина рН питательной среды для размножения дрожжей 4,5-5,5. От величины активной кислотности среды зависит скорость поступления веществ в клетку, активность ферментов в синтезе белка, образование витаминов, а следовательно, и скорость роста дрожжевых клеток. Рекомендуется в первые часы размножения дрожжей поддерживать рН 4,5-4,6, а к концу процесса постепенно повышать до 5,0-5,5, что обеспечивает высокий выход дрожжей и хорошую их подъемную силу. В период быстрого прироста биомассы и при использовании аммонийного азота рН резко понижается. В случае подкисления среды ниже рН 4,0, необходимо при помощи аммиачного раствора, подаваемого в дрожжерастильный аппарат вместо сернокислого аммония, доводить рН до нормы.

Чтобы предотвратить подщелачивание среды, подачу мелассовых и солевых растворов следует отрегулировать в соответствии со скоростью роста и размножения дрожжей.

 

1.2.3.3. Концентрация питательных  веществ среды

 

Скорость роста дрожжей обусловлена  осмотическим давлением водорастворимых  веществ среды и концентрацией клеточного сока дрожжей. Осмотическое давление внешней среды должно быть ниже, чем осмотическое давление клеточного сока, что способствует усвоению питательных веществ растущей дрожжевой клеткой. Чем больше разница в величине осмотического давления в клетке и в среде, тем быстрее накапливается биомасса дрожжей. Концентрация сухих веществ в клеточном соке дрожжей хлебопекарных рас колеблется от 3 до 6 % и характеризуется осмотическим давлением 0,8-0,2 МПа в зависимости от условий выращивания. Оно повышается при культивировании дрожжей в более концентрированных средах. Осмотическое давление в культуральной среде увеличивается с повышением в ней концентрации сухих веществ. Концентрацию питательной среды в дрожжевом производстве характеризуют кратностью разбавления, т. е. отношением единицы массы мелассы к количеству массы воды, в которой она растворена. Кратность разбавления мелассы влияет на выход и качество готовой продукции. В зависимости от стадии выращивания дрожжей готовят мелассное сусло различной кратности разбавления. Так, в начальных стадиях стремятся получить дрожжи физиологически активные, способные к быстрому размножению и сбраживанию углеводов. Поэтому их культивируют в мало разбавленных средах (1:5 ÷ 1:7) при слабой аэрации. В этих условиях часть сахара неизбежно тратится на образование этанола. В конечных стадиях стараются получить возможно больший выход дрожжей и поэтому их выращивают в более разбавленных средах (1 : 10 ÷ 1 : 17) при интенсивной аэрации. Содержание сахара в среде должно точно соответствовать скорости размножения дрожжей. С этой целью питательную среду вводят в дрожжерастильный аппарат не единовременно, а притоком, по мере использования ее дрожжами. При соблюдении этого условия получают максимальный выход дрожжей.

 

1.2.3.4. Аэрация культуральной среды

 

Рост дрожжей сопровождается непрерывным  потреблением кислорода на дыхание  и синтез клеточных веществ. Кислород, растворенный в питательной среде, диффундирует в дрожжевую клетку при разности концентраций его в среде и внутри клетки. Чем быстрее идет потребление кислорода клетками, тем скорее растут дрожжи. Растворимый кислород подавляет спиртовое брожение и активирует процессы дыхания, при котором дрожжи получают достаточно энергии для биосинтеза. Поэтому в анаэробных условиях культивирования дрожжей преобладает спиртовое брожение с минимальной затратой сахара на биосинтез, а в аэробных условиях, наоборот, почти весь сахар тратится на синтез биомассы дрожжей, а спиртовое брожение сводится к минимуму. Торможение спиртового брожения кислородом называют эффектом Пастера, который служит в дрожжевом производстве средством эффективного использования сахара на синтез биомассы путем интенсивной аэрации среды в процессе культивирования дрожжей. Для максимального выхода дрожжей необходимо наличие в мелассовом сусле не менее 1,6 г растворенного кислорода на 1 г использованного инвертного сахара, а так как ввести в сусло более 2 г кислорода на 1 дм³ в час (при расходе воздуха 100 м³/м³∙ч) практически не удается, тем самым ограничивается возможность переработки более концентрированного сусла. На полноценной питательной среде дрожжи выращивают при полном их обеспечении кислородом с аэрацией 100-175 м³/ч воздуха на 1 м³ сусла.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности  клеток аэрация среды должна быть непрерывной. Прекращение подачи кислорода даже на 15-20 минут резко понижает скорость роста дрожжей, так как ферментные системы клетки перестраиваются с дыхания на брожение. Съем дрожжей с аппарата снижается, так как переориентирование ферментных систем на синтез биомассы требует много времени.

Обеспечение среды кислородом зависит  от конструкции воздухораспределительной системы и дрожжерастильного аппарата. Если воздухораспределительная система не обеспечивает потребность дрожжей в кислороде, т. е. происходит лимитирование процесса по кислороду, то скорость понижается.

 

1.2.3.5. Химические вещества

 

По своему действию на дрожжевые  клетки химические вещества можно разделить  на две группы: ингибирующие и стимулирующие  рост и размножение дрожжевых  клеток.

К наиболее часто встречающимся  в дрожжевом производстве веществам, тормозящим скорость роста, можно отнести сульфиды и сульфиты, фтор, мышьяк, сернистый ангидрид, летучие кислоты и нитриты. При переработке такого сырья снижается скорость роста, выход и ухудшается качество дрожжей.

На скорость роста дрожжей также  отрицательно влияют дезинфицирующие  вещества, применяемые в дрожжевом  производстве (формалин, катапин и др.). Даже небольшие концентрации этих веществ не только снижают скорость роста клеток, но и приводят к их гибели. Вся технологическая аппаратура и коммуникации должны быть тщательно отмыты после их дезинфекции.

К веществам, активирующим рост и размножение  дрожжей и повышающим скорость их роста, относятся кукурузный экстракт, дестиобиотин, карбоксилин. В последние годы изысканы природные соединения (сильвинит и каинит), которые повышают скорость роста дрожжей. При этом выход продукта увеличивается до 5 % с введением в культуральную среду сильвинита и до 12 % — каинита.

 

1.2.4. Требования к составу  питательной среды

 

При выращивании хлебопекарных  дрожжей подготавливают питательную  среду, обеспечивающую растущие дрожжи как всеми компонентами, входящими  в состав дрожжевой клетки, так  и теми веществами, которые способствуют быстрому их росту и размножению.

Для питания микроорганизмов необходимы углерод, азот, фосфор, калий, магний, микроэлементы и ростовые вещества.

Источниками углерода для дрожжей  являются различные усвояемые углеводы, моно- и дисахара, а также спирты, альдегиды и органические кислоты.

Азотистым питанием могут быть растворимые  соединения азота (органические и неорганические). Сложные высокомолекулярные углеводы и протеины дрожжами не усваиваются, так как в них не содержатся ферменты, гидролизующие эти вещества. Дрожжи усваивают продукты распада белков — аминокислоты, амиды и аммонийные соединения. Бетаин и нитраты дрожжи не потребляют.

Большую роль в жизнедеятельности  дрожжей играют макроэлементы (К, Na, P, Mg, Ca) и микроэлементы (Fe, Cu, Mn, Zn, A1 и др.), поэтому их присутствие в питательной среде обязательно.

Дрожжам необходимы также ростовые вещества и витамины, особенно биотин. Сахаромицеты не способны синтезировать  биотин, и для нормального их развития они потребляют его из питательной среды.

В дрожжевом производстве питательной  средой является осветленный раствор мелассы, растворы питательных солей и ростовых веществ. Соли, содержащие фосфор и азот, добавляют, исходя из того, что готовая продукция должна содержать 6-7 % азота и 3,6-4,4 % Р₂О₅ в пересчете на сухие вещества дрожжей. В качестве источника стимуляторов роста чаще всего используется кукурузный экстракт, дрожжевой автолизат и дестиобиотин. Кукурузный экстракт добавляют из расчета 6 % к массе мелассы, дестиобиотин — 400 мг на    1 т мелассы. При переработке мелассы с содержанием золы ниже 7 % в среду добавляются калийные и магниевые соли. Количество добавляемого калия (К₂О) составляет 3,5 % к массе мелассы. При внесении магния учитывают, что его содержание в мелассе должно составлять не менее 0,15 % (MgO).