Морфология дрожжеподобных грибов

3. 4. 5. 6. Лекция 4 МОРФОЛОГИЯ ДРОЖЖЕПОДОБНЫХ ГРИБОВ Флоккуляция дрожжеподобных грибов Размножение дрожжеподобных грибов дрожжей Характеристика дрожжей, используемых в хлебопечении и в бродильных производствах Классификация дрожжеподобных грибов 3. ФЛОККУЛЯЦИЯ ДРОЖЖЕЙ С особенностями химического состава дрожжей связаны различия в их флокулирующих свойст- вах. Флоккуляция (латинского floccus – пучок, клок шерсти) – способность микроорганизмов образовывать агрегаты, состоящие из очень большого количества клеток. Флокуляция – это обратимая агрегация, или агглютинация, дрожжевых клеток. Флоккулирующие дрожжи в конце брожения слипаются в комки, образуя группы клеток (флоккулянты), которые легко отделяются от сбраживаемой среды (они поднимаются на поверхность сусла, либо оседают). Способность к флоккуляции является одной из важнейших технологических характеристик дрожжей. Поскольку многие метаболические процессы проходят на поверхности клеток, у дрожжей с высокой степенью флокуляции цикл главного брожения сокращается, что приводит к получению пива с высоким остаточным экстрактом. Такое пиво имеет низкую биологическую стойкость и характеризуется как недоброженное. При медленном оседании дрожжей пиво плохо осветляется, а избыточное содержание дрожжевых клеток при дображивании приводит к появлению привкуса автолизных дрожжей и запаха сероводорода. На интенсивность флокуляции влияют: – состав сусла. Ранней флоккуляции дрожжей способствует несбалансированный состав сусла, а именно недостаток в нем аминного азота, факторов роста и низкая величина отношения сбраживаемых углеводов к несбраживаемым сахарам. – температура брожения. При повышении температуры до 20 ºС и выше происходит дефлокуляция дрожжей, которая вновь начинается при понижении температуры до 2– 5 ºС; – величина рН среды. Интенсивность флокуляции дрожжей возрастает с уменьшением величины рН с 5,6 до 4,3 – 4,0. Дрожжи дефлокулируют при повышении величины рН (более 6) или при ее снижении (менее 3); – количество и качество семенных дрожжей. Процесс флокуляции ускоряется при увеличении нормы введения семенных дрожжей и снижении их биосинтетической активности. Пылевидные (нефлоккулирующие) дрожжи в течение всего процесса находятся в среде в возбужденном (во взвешенном) состоянии. Они обеспечивают более высокую степень сбраживания, формируют больше диацетила и высших спиртов. 4. РАЗМНОЖЕНИЕ ДРОЖЖЕЙ Для дрожжей характерны вегетативный и половой способы размножения. Различают 3 типа вегетативного размножения дрожжей. Вегетативно дрожжи размножаются тремя путями: 1 П о ч к о в а н и е м . На поверхности зрелой клетки появляется бугорок - почка, которая постепенно увеличивается почти до размеров материнской клетки. В течение жизни материнская клетка почкуется 25-30 раз. Д е л е н и е к л е т к и происходит за счет образования поперечной перегородки – септы. П о ч к у ю щ е е с я д е л е н и е – полярное почкование, заканчивающееся делением, т.е. появлением четко заметной септой в области перетяжки. При вегетативном размножении ядро клетки делится путем митоза, т.е. в поколениях клетки сохраняется строго постоянное число хромосом. При почковании зрелые клетки могут не отделяться от материнской клетки и образуют грозди или цепочки клеток. Это приводит к формированию ложных гиф (псевдомицелия). Истинный мицелий имеется только у дрожжей, способных размножаться делением. Мицелий может распадаться на части, в результате формируются одноклеточные артроспоры – оидии. Типы мицелия – таксономический признак. Половое размножение дрожжей осуществляется в неблагоприятных условиях. По способу полового размножения дрожжи подразделяют на перфектные и имперфектные. Жизненный цикл перфектных дрожжей связан с чередованием вегетативного размножения и спорообразования с разной продолжительностью гаплоидной и диплоидной стадий. Гаплоидная стадия – фаза жизненного цикла организма, на протяжении которой клетки содержат одинарный набор хромосом. Диплоидная стадия – фаза жизненного цикла организма, на протяжении которой клетки содержат двойной набор хромосом. Диплоидные клетки могут образовываться при слиянии гаплоидных вегетативных клеток или аскоспор противоположных типов спаривания. Клетки выделяют специфические феромоны, благодаря которым происходит узнавание клеток противоположного типа спаривания. Процесс аскообразования очень сложный и состоит из нескольких стадий: 1. коньюгация – обязательная стадия. На этой стадии происходит слияние 2-х клеток, не имеющих деление на мужские и женские половые элементы. Образовавшаяся клетка имеет два ядра. При коньюгации наблюдается увеличение объема клетки, изменение активности ферментов, увеличение количества запасных веществ клетки, которые затем конденсируются в центральную компактную массу. У гаплойдных дрожжей в процессе слияния принимают участие разные партнеры: две независимые клетки, материнская и почка, две почки на одной или разных клетках или почка и отдельная клетка. У дрожжей существует явление разделополости, в связи с чем различают гомо- и гетероталличные организмы у первых коньюгировать могут партнеры, образовавшиеся от одной и той же гаплойдной клетки, или потомки одной споры. У гетероталличных дрожжей коньгация возможна только между клетками, образовавшимися от разных гаплоидных клеток. В микологии вместо «пол» используют термин «тип спаривания», обозначают их «+» и «-»; а и α или h- и h+ 2. кариогамия – слияние гаплодных ядер с образованием диплойдного ядра. Это процесс характеризуется изменением числа хромосом, митохондрий и РНК, повышается содержание ДНК. Образуется внешняя и внутренняя и внешняя оболочка споры. 2 3. мейоз – регуляционное деление, при котором число хромосом в каждом ядре становится исходным. Этим способом размножаются некоторые виды гаплоидных дрожжей. Перед спорообразованием такие гаплоидные клетки сливаются, в результате образуется диплоидная клетка, ядро которой делится путем мейоза с образованием четырех или восьми аскоспор. С п о р о о б р а з о в а н и е . Споры у дрожжевой клетки при бесполом размножении образуются обычно при недостатке питательных веществ, но при обязательном доступе большого количества кислорода и оптимальной температуре (30-25°С), щелочная реакция среды, присутствие ионов калия. В отличие от спор бактерий аскопоры не являются средством выживания микроорганизмов. Аскоспоры лишь немного более устойчивее к нагреванию, действию спирта и других неблагоприятных воздействий, чем вегетативные клетки. Аскоспоры могут быть круглой, овальной, почковидной, цилиндрической или игловидной формы. 5. Характеристика дрожжей, используемых в хлебопечении и в бродильных производствах Дрожжи, используемые в хлебопечении и в бродильных производствах, относятся к семейству сахаромицетов, роду Saccharomyces. Дрожжи-сахаромицеты имеют овальную форму, размножаются в производственных условиях почкованием, а в неблагоприятных условиях – аскоспорами. Культурные дрожжи относятся к ацидофилам. Являются факультативными анаэробами. В аэробных условиях они активно растут и размножаются, а в анаэробных – осуществляют спиртовое брожение (эффект Пастера). Дрожжи чувствительны к высокой концентрации растворенных в среде веществ. При высокой концентрации сахара в среде жизнедеятельность дрожжей прекращается, так как при этом увеличивается осмотическое давление среды и наступает плазмолиз клеток. Величина предельной концентрации сахара для различных рас дрожжей неодинакова. Различают дрожжи верхового и низового брожения. Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения распределяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Дрожжи низового брожения, развиваясь в сбраживаемой жидкости, не переходят в поверхностный слой – пену, быстро оседают по окончании брожения, образуя плотный слой на дне бродильной емкости. Кроме общих свойств, дрожжи, используемые в том или ином производстве, обладают специфическими свойствами. Более того, в одном и том же производстве применяют разновидности, различающиеся по одной или нескольким технологическим особенностям. Разновидности дрожжей одного вида называют расами. Каждое производство располагает несколькими расами дрожжей. Основными технологическими особенностями различных рас являются величина клеток, способность сбраживать и утилизировать различные сахара. Дрожжи, используемые в хлебопекарном производстве 3 Роль дрожжей в хлебопекарном производстве заключается в разрыхлении теста. Дрожжи сбраживают сахара муки и мальтозу, образующуюся из крахмала с выделением спирта и углекислого газа. При этом образуются побочные продукты (уксусный альдегид, бутиловый, изобутиловый, изоамиловый спирты, органические кислоты, ароматические вещества – диацетил и ацетоин, эфиры и др.), которые создают вкус и аромат хлеба. При производстве пшеничного хлеба применяют дрожжи Saccharomyces cerevisiae, а при производстве ржаного хлеба - дрожжи двух видов Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces minor, причем преобладают дрожжи второго вида. Дрожжи Saccharomyces minor отличаются более высокой кислотоустойчивостью, чем дрожжи первого вида, менее требовательны к источникам витаминного и азотного питания, более спиртоустойчивы. Требования, предъявляемые к хлебопекарным дрожжам:  Должны быть устойчивы к высоким концентрациям соли (до 3 – 4 %) и сахара в тесте;  Должны хорошо размножаться при оптимальных значениях рН 4,5…5,0 и температуре 26…28 0С;  Должны обладать высокой бродильной энергией (мальтазной и зимазной активностью). Мальтазная активность – это время (в мин), необходимое для выделения 10 см3 СО2 при сбраживании 10…20 см3 мальтозы при 30 0С дрожжами, взятыми в количестве 2,5 % к объему среды. Мальтазная активность характеризует способность дрожжей гидролизовать мальтозу муки и зависит от активности содержащегося в дрожжах фермента мальтазы. Мальтазная активность дрожжей хорошего качества должна быть не более 100 мин. Зимазная активность - это время (в мин), необходимое для выделения 10 см3 СО2 при сбраживании 10…20 см3 глюкозы при 30 0С дрожжами, взятыми в количестве 2,5 % к объему среды. Зимазная активность дрожжей хорошего качества должна быть не более 60 мин. О бродильной активности хлебопекарных дрожжей можно также судить по их подъемной силе – периоду времени (в мин), в течение которого тесто, замешанное на испытуемых дрожжах, поднимается до определенного уровня в формочке. Все эти показатели относятся к технологическим показателям качества хлебопекарных дрожжей;  Должны быть стойкими к инфицированию при хранении в прессованном виде и в высушенном состоянии. Дрожжи, используемые в бродильных производствах Пивные дрожжи относятся к двум видам: Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces carlsbergensis. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae являются дрожжами верхового брожения и в пивоварении используются редко, в основном для темных и специальных сортов пива. Эти дрожжи в производственных условиях сбраживают сусло при 12…15 0С. Дрожжи Saccharomyces carlsbergensis относятся к дрожжам низового брожения и в производстве осуществляют главное брожение при 5…10 0С. Они нашли широкое применение в пивоваренном производстве и используются для приготовления стандартного и сортового пива. Требования, предъявляемые к пивным дрожжам:  Должны обладать высокой бродильной активностью. Бродильная активность определяется степенью сбраживания сусла, т.е. отношением массы сброженного экстракта к массе сухих веществ (СВ) в начальном сусле;  Должны обладать флоккуляционной способностью; 4  Должны иметь умеренную способность к размножению. Очень активное размножение дрожжей нежелательно, т.к. при этом расходуются экстрактивные вещества сусла и образуется большое количество побочных продуктов. В среднем в процессе брожения биомасса дрожжей увеличивается в 3…4 раза;  Должны быть стойкими к неблагоприятным условиям и инфицированию;  Должны обладать стойкостью морфологических и физиологических свойств;  Должны придавать пиву характерный вкус и аромат. Спиртовые дрожжи - Saccharomyces cerevisiae. Основные требования, предъявляемые к дрожжам при производстве спирта являются:  Высокая бродильная активность. Спиртовые дрожжи должны образовывать максимум спирта;  Способность сбраживать как моносахара, так и дисахариды и некоторые декстрины;  Способность сбраживать растворы, содержащие довольно большие концентрации сахара;  Высокая кислотоустойчивость;  Способность осуществлять спиртовое брожение при высоком содержании спирта в растворе 6. КЛАССИФИКАЦИЯ ДРОЖЖЕЙ Таксономия и классификация дрожжей находится в процессе становления. Дрожжи и дрожжеподобные грибы относятся к классам Ascomycetes, Basidiomycetes и Deuteromycetes. В класс Ascomycetes входит порядок Endomycetales — дрожжеподобные сумчатые грибы, образующие эндоспоры. К этому классу относят семейство Saccharomycetaceae, представители которого почти лишены мицелия. Это одноклеточные организмы овальной формы, размножающиеся почкованием или делением. В данное семейство входит хорошо изученный род Saccharomyces, многие виды которого, например Saccharomyces cerevisiae, имеют большое значение в пищевой промышленности. Эти дрожжи размножаются почкованием. Виды рода Schizosaccharomyces, также относящегося к сахаромицетам, размножаются делением. Среди этих микроорганизмов есть возбудители спиртового брожения и дрожжи, вызывающие порчу вин, к ним относят и многие другие роды дрожжей, например рода Lipomyces, Nadsonia, виды которого обусловливают порчу пищевых продуктов. Класс Basidiomycetes представлен дрожжами, у которых образуются половые структуры базидиального типа — базидиоспоры. Большая часть этих дрожжей родственна головневым грибам. Среди них красные дрожжи рода Rhodosporidium и розовые рода Sporobolomyces, обитающие на поверхности листьев растений, в бесполой стадии размножающиеся баллистоспорами. К классу Deuteromycetes относят дрожжеподобные организмы, не имеющие эндоспор. Они размножаются почкованием. Некоторые виды рода Torula вызывают спиртовое брожение. У дрожжей рода Rhodotorula синтезируется розовый пигмент, они вызывают порчу пищевых продуктов. Существуют и болезнетворные дрожжи, например некоторые виды Candida. Наиболее полная классификация разработанная Крегер-ван Рай, совместо с Лоддером, опубликована в 1984 г. 5 К классу Hemiascomycetes относят аскоспорогенные дрожжи, которые отличаются от других представителей Ascomycotina отсутствием аскогенных гиф. Порядок Endomycetales включает 4 семейства, два из них охватывают дрожжевые роды. Представители семейства Streptophthoraceae имеют характерную форму спор – игловидную или веретеновидную, аски содержат от 8 до 12 аскоспор, иногда они больше самих дрожжевых клеток. Обычно формируется доядерный мицелий с почкующимися клетками или присутствуют только почкующиеся клетки. Отдел Eumycota царства Mycota Подотдел Ascomycotina Класс Hemiascomycetes Basidiomycotina Порядок Endomycetales Filobasidiales Ustilaginales Tremellales Deuteromycotina Blastomycetes Семейство Streptophthoraceae Saccharomycetaceae Filobasidiaceae Дрожжи, образующие телноспоры Sirobasidiaceae Tremellaceae Crypttococcaceae Sporobolomycetaceae Семейство Saccharomycetaceae включает дрожжи, которые могут формировать мицелий, псевдомицелий, артроспоры, почкующиеся клетки, расположенные парами или одиночные. Вегетативное размножение происходит почкованием или делением. Аски образуются после изогамной или гетероганной коньюгации, у многих видов наблюдается длительная стадия вегетативного размножения между диплоидизацией и аскообразованием. Аскоспоры различной формы, но не игловидной. Это семейство подразделяется на 4 подсемейства и 25 родов. Подразделение основано на особенностях полового и вегетативного размножения. Семейство Saccharomycetaceae Подсемейство Schizosaccharomycetoideae Saccharomycetoideae в подсеместве 24 рода Род Schizosaccharomyces Hansenula Kluyveromyces Saccharomyces Saccharomycopsis Toluraspora Положение базидиомицетовых дрожжей среди других грибов Basidiomycotina пока не вполне ясно. Они характеризуются образованием нитеподобных несептированных базидий, образующих гроздья или плотные группы. На конце их формируются толстостенные базидиоспоры. Пробазидии (телноспоры) отсутствуют. Большая группа дрожжей относится к отделу Basidiomycotina, классу Basidiomycotina. У них не обнаружена перфектная стадия в виде аска или базидии. 6