ЗАГАЛЬНА МІКРОБІОЛОГІЯ - Т.П. Пирог - 2004

9. ДРІЖДЖІ

9.6. ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ДРІЖДЖІВ

Дріжджі Saccharomyces cerevisiae з давніх-давен служили людині. У наш час різні штами цього виду дріжджів використовуються у пивоварінні, виноробстві, хлібопекарстві, виробництві спиртів. Дріжджі Kluyveromyces fragilis, які зброджують лактозу, використовуються для виробництва спирту з молочної сироватки. Дріжджі Candida lipolytic а метаболізують вуглеводні та є промисловим джерелом лимонної кислоти.

Дріжджі роду Candida здатні рости на багатьох субстратах: вуглеводнях (Candida tropicalis), метанолі (Candida boidinii), гідролізатах торфу та деревини (Candida utilis), етанолі (Candida utilis). їх біомаса використовується як кормова добавка до раціону сільськогосподарських тварин. Детальніша інформація про білкові продукти, які одержують за допомогою дріжджів, наведена у розд. 22 “Мікроорганізми як об’єкти біотехнології”.

Рісhia guildermondi використовується для одержання рибофлавіну. Дріжджі Rhodotorula є джерелом ліпідів, β-каротину. Trichosporon cutaneum відіграє важливу роль в аеробних системах очищення стічних вод завдяки здатності окиснювати органічні сполуки, навіть такі, які є токсичними для грибів (наприклад фенольні сполуки). Дріжджі Phaffia rhodozymaсинтезують незвичайний каротиноїд астаксантин., який може бути джерелом пігменту для лосося та форелі, вирощуваних у ставках. М’ясо риби, вирощеної в неволі, буває білим, але набуває нормального вигляду, якщо в корм добавляють пігмент. Астаксантин надає м’ясу лосося та форелі характерне оранжево-рожеве забарвлення.

Дріжджі Saccharomyces у промисловості

Основною властивістю сахароміцетів, яка широко використовується в промисловості, є здатність з високою ефективністю перетворювати великі концентрації цукрів на спирт. До складу продуктів спиртового бродіння входить не тільки етанол, а й вуглекислий газ і дріжджова біомаса. До важливих продуктів бродіння можна зарахувати і органолептичні сполуки, які виробляються сахароміцетами і надають спиртовим напоям особливого смаку та аромату (вищі спирти, кислоти, альдегіди разом з кетонами, сірковмісні речовини).

Виробництво алкогольних напоїв. За допомогою дріжджів виробляють такі напої (у дужках вказана основна сировина): пиво, віскі (ячмінь), горілка (кукурудза, картопля, пшениця), джин (кукурудза, картопля), саке(рис), ром (меляса), вино (виноград), бренді (виноград), сидр (яблука), кальвадос (яблука).

Підготовка сировини. Оскільки дріжджі легко засвоюють цукри, що містяться у винограді, ця сировина не потребує ніякої попередньої обробки — достатньо роздавити ягоди та вичавити сік. Для виробництва червоного вина шкірку та кісточки винограду залишають у соку впродовж всієї ферментації, тоді як для приготування білих вин їх видаляють після роздавлювання ягід.

На відміну від цукрів винограду, основний вуглевод ячменю (крохмаль) не засвоюється дріжджами. У зв’язку з цим важливий технологічний етап пивоваріння полягає у пророщуванні ячменю, у процесі якого синтезується комплекс амілазних ферментів. Цей етап називають солодінням. Пророщений ячмінь висушують у печах, при цьому відбувається карамелізація цукрів, і утворювані темнозабарвлені речовини надають пиву відповідного кольору. Далі солод розмелюють і змішують з водою; цей процес лежить в основі приготування сусла. При цьому амілолітичні ферменти розщеплюють крохмаль до мальтози та інших цукрів, які дріжджі здатні засвоювати. Отриманий екстракт (сусло) фільтрують від залишків ячменю і використовують як середовище для вирощування дріжджів.

Ферментація (вирощування дріжджів). У виробництві пива в сусло вносять один штам — Saccharomyces cereoisiae. У виготовленні вина використовують природну флору шкірки винограду, так що у бродінні беруть участь багато видів дріжджів. Крім Saccharomyces, це — Brettanomyces sp., Candida sp., Debaryomyces sp., Hansenula. Ферментація продовжується кілька днів (приготування пива) чи кілька тижнів (виробництво вина).

Дозрівання. Всі сорти пива та деякі сорти вина дозрівають кілька тижнів, тоді як деякі вина і продукти перегонки, які використовуються для одержання віскі та бренді, можна витримувати кілька років. У виробництві пива етап дозрівання необхідний для видалення деяких небажаних летких домішок та осадження поліфенольних сполук, які можуть спричинити помутніння пива. У процесі дозрівання вина відбувається ріст бактерій, які за допомогою так званого яблучно-молочнокислого бродіння видаляють з вина яблучну кислоту, що покращує смакові якості вина.

Виробництво етанолу як палива. Етанол — екологічно чисте паливо, внаслідок згоряння якого утворюються вуглекислий газ і вода. Використовується в двигунах внутрішнього згоряння у чистому вигляді або як 10-20%-на добавка до бензину (газохол). У 80-х роках XX ст. у Бразилії 75 % автомобілів працювали на 95% -му етанолі, а решта — на газохолі.

На значних посівних площах передбачається вирощування сільськогосподарських культур для наступної їх переробки на етанол. Але, на жаль, при цьому існує дилема: продовольство чи енергія. Виробництво етанолу з рослинної сировини небезвідходне: на кожен літр спирту припадає 12-14 л стічних вод з високою концентрацією відходів, небезпечних для природних екосистем. Проблема раціональної їх переробки не вирішена.

Слід зазначити, що сахароміцети, використовувані у виробництві етанолу, мають ряд недоліків:

1. Конкуренція бродіння та дихання. Субстрат (глюкоза) лише частково зброджується до етанолу. Решта субстрату втрачається, перетворюючись у результаті дихання на вуглекислий газ

і воду. Процес необхідно вести в анаеробних умовах або використовувати мутанти, не здатні до дихання (не містять мітохондрій).

2. Чутливість до етанолу, яка знижує вихід цільового продукту на одиницю об’єму біореактора. Одержано мутанти, стійкі до етанолу, які характеризуються зміненою будовою клітинних мембран.

3. Відсутність ферментів, які каталізують розщеплення крохмалю, целюлози, ксилану. Необхідним є попередній гідроліз субстрату або використання змішаних культур сахароміцетів і мікроорганізмів з гідролітичною активністю.

Теоретично етанол можна одержати з будь-якого джерела вуглеводів, що може бути перетворено у доступну для дріжджів форму. На практиці економіка вимагає, щоб субстрат перетворювався в доступну для засвоєння форму простим способом. У Бразилії використовують сахарозу (у вигляді екстракту з цукрової тростини) та крохмаль (з маніоки). Крохмаль гідролізують за допомогою амілаз. В інших країнах використовують крохмаль кукурудзи і сахарозу (у вигляді меляси). Оскільки сахароза та крохмаль є харчовими продуктами, то шукають інші джерела вуглеводів для одержання етанолу. Привабливим є використання для цього целюлози. Проте в наш час всі випробувані варіанти хімічного та ферментативного гідролізу цієї сировини занадто дорогі.

Перспективнішими, ніж дріжджі, для одержання етанолу є бактеріальні культури — Zymomonas mobilis і термофільні бактерії роду Clostridium, а також Thermoanaerobacter ethanoli cue. Вони ефективніше зброджують цукри, стійкі до підвищених концентрацій етанолу (іноді до 15 %). Термофіли здатні до біоконверсії полісахаридних субстратів на етанол.

Алтолізатн та гідролізати. Дріжджові гідролізати здатні надавати харчовим продуктам присмак м’яса, тому широко використовуються у харчовій промисловості для виготовлення супів і приправ. Гідролізат одержують нагріванням дріжджових клітин (100 º С) у присутності соляної кислоти до тих пір, поки більша частина білків не гідролізується до амінокислот. Потім препарат нейтралізують їдким натром, фільтрують, концентрують до густої пасти.

Автоліз відрізняється від гідролізу тим, що руйнування клітинних компонентів відбувається під дією ферментів, синтезованих самою дріжджовою клітиною. Цей процес прискорюється нагріванням до 50 º С і добавленням кухонної солі. Дріжджові автолізати (а також дріжджові екстракти) широко використовуються в мікробіологічній практиці як джерело ростових факторів для багатьох мікроорганізмів.

Ферменти. Фермент інвертаза широко застосовується в кондитерській промисловості у виробництві шоколаду з м’якою начинкою. Щоб надати ароматизованій начинці твердості і певної форми, її готують з кристалічної сахарози, невеликої кількості ароматизаторів та інвертази. Потім цю тверду форму покривають шоколадом. У процесі зберігання інвертаза діє на сахарозу, перетворюючи її на суміш глюкози та фруктози; при цьому кристалічна начинка стає сиропоподібною.

Інвертаза присутня у великих кількостях у дріжджових клітинах, вирощених на мелясі. Цей фермент вивільнюється у процесі автолізу клітин, потім очищається і надходить на кондитерські фабрики у вигляді стандартного розчину з відомою ферментативною активністю.

Вітаміни. Дріжджі є багатим джерелом вітамінів (тіамін, рибофлавін, піридоксин, фолієва кислота, пантотенат кальцію, пара-амінобензойна кислота).