В естественных условиях дрожжи обычно располагаются на поверхности овощей, фруктов, в цветочном нектаре и в лежалой листве. Также дрожжи нередко встречаются в кишечной среде многих животных и человека.
Состав дрожжей
Клетка на ¾ состоит из воды, из нее около половины связывает органоиды, и ¼ — освобожденная часть. Опираясь на возраст и общее состояние, можно обозначит примерный состав сухого клеточного вещества:
- Азот – 43-60%;
- Сахар – 16-39%;
- Жир – 2-14%;
- Минеральные вещества – 6-12%.
Кроме основных составляющих, в клетке также присутствует содержание важных элементов для совершения метаболизма – витамины и ферменты.
Клеточное строение
Форма клетки разнообразна, она может быть шарообразной, эллипсовидной или в виде палочки. Размеры зависят от среды обитания и ее условий. Характеристику дрожжей производят по свойствам более молодых дрожжей.
Дрожжевые клетки имеют в своем составе следующие компоненты:
- Цитоплазма;
- Ядро;
- Мембрана;
- Митохондрии;
- Гликоген;
- Аппарат Гольджи;
- Рибосомы.
Дыхание
Для проведения дыхательной деятельности клеткам дрожжей жизненно важен кислород. Но при необходимости дрожжи какое-то время могут полностью обойтись без него.
Питание дрожжей
Большая часть видов для получения энергии в процессе питания используют компоненты органического происхождения. При отсутствии кислорода в среде дрожжевые клетки чаще используют различные углеводы. В среде, обогащенной кислородом, для синтеза доступно больше видов веществ.
Продукты жизнедеятельности дрожжей
Дрожжевые клетки в процессе синтеза производят несколько видов спиртов, а также, различные жирные кислоты. Кроме этого, дрожжевые клетки имеют способность выделять определенные вещества в окружающую среду, например, альдегиды и сивушные масла.
Размножение
Размножаются дрожжевые клетки обычно вегетативно, с помощью почкования или деления. Известны случаи полового размножения у некоторых дрожжей. Кроме того, существуют дрожжевые клетки, образующие мицелий, который впоследствии распадается на отдельные артроспоры.
Рост дрожжевых клеток
Рост дрожжей обусловлен воздействием факторов окружающей среды – температурой и влажностью воздуха, кислотностью и атмосферным давлением. Благоприятной для усиленного роста является средняя температура.
Польза дрожжевых организмов
Широкое применение имеют дрожжи не только в пищевой промышленности, при производстве хлебобулочной продукции и напитков, но и при получении многих полезных элементов – витаминов, полисахаридов, органических кислот, ферментов и каротиноидов.
Применение дрожжевых клеток в фармакологии и медицине
Биотехнологи применяют дрожжевые клетки в производстве многих лекарственных препаратов. Полезно употребление пивных дрожжей при лечении и профилактике аллергических реакций. Косметологи рекомендуют применять их для укрепления общего состояния организма и кожи.
Встречается также тип дрожжей, нормализующий работу кишечника и восстанавливающий микрофлору желудка. Такие дрожжевые организмы помогают бороться с диареей и раздраженным кишечником.
Дрожжи — грибы, которые утратили способность к образованию мицелия. Дрожжи не составляют отдельный класс грибов, они не составляют отдельный класс, а относятся к 3-му классу высших грибов. 50% высших грибов — аскомицеты. Дрожжи — одноклеточные грибы. Размеры — 1-10 мкм, средние — 5-7 мкм. По своей морфологии они разнообразны: они могут приобретать различную форму (овальную, цилиндрическую, серповидную). Могут образовывать ложный мицелий.1. Морфология определяется типом вегетативного размножения:
1.1 Почкование. Возникают круглые, яйцевидные или овальные клетки. При множественном почковании, когда клетка закладывается на нескольких участках клетки, может образовываться звездчатая форма. В результате почкования без отрыва почки от материнского организма и продолжение почкования приводит к возникновению ложного мицелия (род Candida).
1.2 Почкующееся деление. Почка закладывает у основания клетки в результате чего может образовываться грушевидная (почка с одной стороны) или веретеновидная (почка с двух сторон).
1.3 Деление. Обычное деление бывает редко, при этом процессе 1 материнская клетка дает 2.
2. Бесполое размножение. Осуществляется при помощи специальных клеток и спор — баллистоспор, эндоспор. Баллистоспора образуется на специальном выросте — стеригме, после чего отбрасывается на расстояние. Эндоспоры закладываются внутри материнской клетки (2-10 в 1 клетке).
3. Половое размножение. Могут осуществлять в гаплоидной и диплоидной фазе. Большинство дрожжей диплоидны. Для каждых существует тип развития.
Цикл развития гаплоидных дрожжей
Две гаплоидные клетки сливаются друг с другом, проходят стадию плазмогамии и кариогамии, в результате чего образуется циклоидная зигота. Она митотически делится, постом — с помощью редукционного деления. В результате внутри материнской клетки образуется n- количество аскоспор, содержащих гаплоидный набор хромосом. Они прорастают и дают начало гаплоидной вегетативной клетке.
Цикл развития диплоидных дрожжей
Вегетативная диплоидная клетка претерпевает редукционное (мейоз). В результате под материнской оболочкой образуются аскоспоры, содержащие гаплоидный набор хромосом. Аск лопается, гаплоидные аскоспоры выходят наружу и сливаются с друг другом. Проходят стадию плазмогамии и кариогамии, в результате чего образуется диплоидная зигота. Она размножается почкованием и восстанавливает тем самым популяцию диплоидных дрожжей.
Классификация дрожжей по Кудрявцеву (1952 год)
1. Класс Аскомицеты (Ascomycetes).
1 семейство — Saccharomycetеceae (17 родов), род Saccharomyces:
- S.cerevisiae (производство спирта, переработка крахмала, производство хлеба);
- S. Carlsbergensis (в пивоварени);
- S.vini (в виноделии);
- S.minor (для получения темных сортов хлеба);
2 семейство Shizoaccharomyceteceae (2 рода), род Shizoaccharomyces:
- Schizoes pombe (в производстве пива);
- Sch. Mosquensis (в виноделии);
3 семейство Saccharomycodaceae (4 рода).
2. Класс Fungi imperfecti.
1 семейство Cryptococcaceae:
- 1 подсемейство Cryptococcaideae;
*1 род Cryptococcus;
* 2 род Torulopsis (кефір, виноделие);
* 3 род Candida (БВК, возбудитель микозов);
* 4 род Pitorosporum (на коже человека);
* 5 род Brettonomyces (вредитель виноделия);
- 2 подсемейство Trichospoiceae (10 родов):
* 1 род Trichosporon;
- 3 подсемейство Rhodotoruloide:
* 1 род Rhodotorula.
Плесневые грибы
(микромицеты)
Это мицелиальные микроскопические грибы. Они образуют на поверхности пушистый налет из своего мицелия. Они нуждаются в определенной влажности, температуре и в наличии определенного субстрата. Мицелий глубоко пронизывает субстрат.
В систематическом отношении плесневые грибы — неоднородны и относятся как к высшим, так и к низшим грибам (аскомицеты, fungi imperfecti, низшие - зигомицеты). Зигомицеты — р. Mucor, р. Rhizopus.
Характеристика. Mucor — на плотных ПС образовывает войлочный налет. Тело представлено целоцитным мицелием. От мицелия отходят гифы — спорангиеносцы со спорангиями, на которых образуются споры. Rhizopus — отличаются от Mucor тем, что спорангиеносцы образовываются на мицелии пучками.
Народное значение грибов и дрожжей
Широко используются в биотехнологических (б/т) при производстве спирта, пива, вина и т.д. В хлебопекарской промышленности используют дрожжи р. Saccharomyces — используют в виде сухих живых дрожжей, которые богаты витаминами группы В и иммуномодуляторами. Р. Candida — белково-витаминные концентраты в животноводстве. Кроме того, получают ценные препараты — витамин D2, липиды, нуклеиновые кислоты. Ферменты и коферменты, а также органические кислоты. Плесневые грибы являются продуцентами органических кислот (лимонная кислота), антибиотиков и т.п. Среди грибов есть вредители, патогенные для человека и животных.
Представителями одноклеточных грибов являются, например, дрожжи .
Дрожжевых грибов известно около 500 видов. Дрожжевые грибы встречаются в природе на поверхности растений, в нектаре цветков, на плодах, в сокоистечениях деревьев, в почве. Они не образуют типичного мицелия. Эти микроскопические грибы состоят из одной клетки, имеющей форму шарика. Размножаются дрожжи почкованием: на теле гриба образуется выпячивание (как почка), которое увеличивается, отделяется от материнского организма (почкуется) и ведёт самостоятельный образ жизни. Почкующиеся клетки дрожжей похожи на ветвящиеся цепочки.
С давних пор человек использует дрожжи для приготовления хлеба.
Дрожжи быстро растут, что определяется необычайно высокой скоростью их обмена веществ. При этом они значительно изменяют химический состав окружающей среды. Наиболее известный процесс, который они осуществляют, – спиртовое брожение. Дрожжи питаются сахаром, превращая его в спирт. При этом выделяется углекислый газ, который способствует подниманию теста, делают его лёгким и пористым.
Некоторые дрожжевые грибы люди используют в пивоварении, виноделии и как белковый корм в животноводстве.
Аскомицетные и базидиомицетные дрожжи
Различить дрожжи, принадлежащие к разным отделам грибов, можно как по характеристикам их жизненного цикла, так и без его наблюдения, только по признакам аффинитета. К ним относится:
- синтез каротиноидов (встречается только у базидиомицетных дрожжей);
- тип убихинонов (с 5-7 изопреноидными остатками у аскомицетных и с 8-10 у базидиомицетных, хотя есть исключения);
- тип почкования (см. раздел жизненный цикл);
- содержание ГЦ пар в ДНК (26-48 % у аскомицетных, 44-70 % у базидиомицетных);
- наличие фермента уреазы (характерна за несколькими исключениями только базидиомицетным) и др.
Особенности метаболизма дрожжей
Дрожжи являются хемоорганогетеротрофами и используют органические соединения как для получения энергии, так и в качестве источника углерода. Им необходим кислород для дыхания, однако при его отсутствии многие виды способны получать энергию за счёт брожения с выделением спиртов (факультативные анаэробы). В отличие от бактерий, среди дрожжей нет облигатных анаэробов, гибнущих при наличии кислорода в среде. При пропускании воздуха через сбраживаемый субстрат дрожжи прекращают брожение и начинают дышать (поскольку этот процесс эффективнее), потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Это ускоряет рост дрожжевых клеток (эффект Пастера). Однако даже при доступе кислорода в случае высокого содержания глюкозы в среде дрожжи начинают её сбраживать (эффект Кребтри).
Клетки пекарских дрожжей, флюоресцентная микроскопия.
Дрожжи достаточно требовательны к условиям питания. В анаэробных условиях дрожжи могут использовать в качестве источника энергии только углеводы, причём в основном гексозы и построенные из них олигосахариды. Некоторые виды (Pichia stipitis, Pachysolen tannophilus, Phaffia rhodozyma) усваивают и пентозы, например, ксилозу. Виды Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger способны сбраживать крахмал, вид Kluyveromyces fragilis - инулин. В аэробных условиях (при наличии кислорода) круг усваиваемых субстратов шире: помимо углеводов усваиваются также жиры, углеводороды, ароматические и одноуглеродные соединения, спирты, органические кислоты. Гораздо больше видов способно использовать пентозы в аэробных условиях. Тем не менее, сложные соединения (лигнин, целлюлоза) для большинства дрожжей (за исключением некоторых видов рода Trichosporon, проявляющих целлюлолитическую активность) недоступны.
Источниками азота для всех дрожжей могут быть соли аммония, примерно половина видов имеет нитратредуктазу и может усваивать нитраты. Пути усвоения мочевины различны у аскомицетовых и базидиомицетовых дрожжей. Аскомицетовые сначала карбоксилируют её, затем гидролизуют, базидиомицетовые - сразу гидролизуют ферментом уреазой.
Для практического применения важны продукты вторичного метаболизма дрожжей, выделяемые в малых количествах в среду: сивушные масла, ацетоин (ацетилметилкарбинол), диацетил, масляный альдегид, изоамиловый спирт, диметилсульфид и др. Именно от них зависят органолептические свойства полученных с помощью дрожжей продуктов.
Распространение дрожжей
Места обитания дрожжей связаны преимущественно с субстратами, богатыми сахарами: поверхностями плодов и листьев (где дрожжи питаются прижизненными выделениями растений), нектаром цветов, раневыми соками растений, мёртвой фитомассой и т. д. Дрожжи распространены также в почве (особенно в подстилке и органогенных горизонтах) и природных водах. Дрожжи (роды Candida, Pichia, Ambrosiozyma) постоянно присутствуют в кишечнике и ходах ксилофагов (питающихся древесиной насекомых), богатые дрожжевые сообщества развиваются на листьях, поражённых тлёй. Представители рода Lypomyces являются типичными почвенными обитателями.
Жизненный цикл дрожжей
Отличительной особенностью дрожжей является способность к вегетативному размножению в одноклеточном состоянии. При сопоставлении с жизненными циклами грибов это выглядит как почкование спор или зиготы. Многие дрожжи также способны к реализации полового жизненного цикла (его тип зависит от аффинитета), в котором могут быть и мицелиальные стадии.
У некоторых дрожжеподобных грибов, образующих мицелий (роды Endomyces, Galactomyces, Arxula, Trichosporon), возможен распад мицелия на клетки (артроспоры). У родов Arxula и Trichosporon артроспоры после образования начинают почковаться. У грибов рода Trichosporon внутри клеток мицелия также образуются вегетативные эндоспоры.
14 ..4.4 Дрожжи. Их формы, размеры. Размножение дрожжей. Принципы классификации дрожжей
Дрожжи – высшие грибы, утратившие способность образовывать мицелий и
превратившиеся в результате этого в одноклеточные организмы.
Клетки дрожжей имеют овальную, яйцевидную и эллиптическую форму (рис
4.4). Несколько реже встречаются цилиндрические (палочковидные),
грушевидные и лимоновидные дрожжи.
Размеры клеток дрожжей колеблются от 2,5 до 10 мкм в поперечнике и от 4
до 20 мкм в длину. В среднем масса дрожжевой клетки составляет около
510–11 г. Формы, размеры и масса дрожжевых клеток изменяются в
зависимости от условий среды, в которой они развиваются, и от возраста
клеток.
Строение дрожжевой клетки описано в разделе 2.4.
Рис. 4.4 - Форма дрожжевых клеток:
а – стреловидная, б – серповидная, в – лимоновидная,
г – овальная, яйцевидная, д – цилиндрическая, е – грушевидная
Размножение дрожжей зависит от условий жизнедеятельности дрожжевой клетки и от вида дрожжей.
1. Вегетативное размножение
Происходит почкованием, реже – делением или почкующимся делением.
Почкование – это процесс образования на клетке маленького бугорка – почки, которая постепенно увеличивается в размерах. В месте соединения почки с материнской клеткой постепенно образуется сужение – перетяжка. Когда почка достигает примерно одной трети размеров материнской клетки, ядро перемещается в перетяжку и здесь происходит его деление на 2 ядра. Одно из ядер переходит в почку, а другое остается в материнской клетке. Постепенно перетяжка ограничивает дочернюю клетку от материнской, затем слои перегородки разделяются, оставляя на материнской клетке почковой рубец. Почкованием обычно размножаются дрожжи овальной формы.
Бинарное деление дрожжевой клетки происходит путем возникновения поперечной перегородки, которая, развиваясь, приводит к образованию двух дочерних клеток, идентичных родительской. Делением размножаются дрожжи цилиндрической формы.
Почкующееся деление характерно для дрожжей лимоновидной формы. Вначале на полюсе возникает почка, которая после деления ядра ограничивается от материнской клетки перегородкой.
2. Половое размножение
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. Половое размножение дрожжей осуществляется в неблагоприятных условиях.
Классификация дрожжей
Дрожжи относятся к царству грибов (Mycota), отделу истинных грибов (Eumycota). В зависимости от того, способны ли дрожжи размножаться половым путем, их можно отнести к 2-м классам: классу аскомицетов и классу дейтеромицетов. Небольшая часть дрожжей относится к классу базидиомицетов.
Так как дрожжи отличаются по своим культуральным свойствам от грибов, существуют их отдельные классификации.
Так, существует отдельная классификация совершенных (спорогенных) дрожжей – классификация Кудрявцева. По этой классификации дрожжи относятся к классу аскомицетов, порядку одноклеточных грибов – дрожжей, который включает три семейства: сахаромицетов, шизосахаромицетов и сахаромикодов. Семейства различаются формой клеток, способом вегетативного размножения.
Семейство сахаромицетов
Представители этого семейства имеют овальную или яйцевидную форму, вегетативно размножаются почкованием. Особо важная роль принадлежит роду Saccharomyces. Главным биохимическим признаком этих дрожжей является то, что они сбраживают сахара с образованием этилового спирта и диоксида углерода. Дрожжи, используемые в промышленности, называются культурными дрожжами. Так, в хлебопекарном производстве и в производстве спирта используются верховые дрожжи рода Saccharomyces cerevisiae . Дрожжи вида Saccharomyces minor нашли применение в производстве ржаного хлеба и кваса. В пивоварении используются низовые дрожжи Saccharomyces carlsbergensis . Дрожжи-сахаромицеты имеют овальную форму, вегетативно размножаются почкованием, в неблагоприятных условиях размножаются половым путем аскоспорами.
Культурные дрожжи относятся к ацидофилам, т. е. развиваются в кислой среде, оптимальное значение рН для дрожжей 4,5-5,0. 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. К таким дрожжам относятся спиртовые и хлебопекарные дрожжи. 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. К дрожжам низового брожения относятся пивные дрожжи. Такие различия при сбраживании жидких сред дрожжами верхового брожения и дрожжами низового брожения обусловлены тем, что дрожжи верхового брожения принадлежат к пылевидным дрожжам , не склеивающимися друг с другом, а дрожжи низового брожения относятся к хлопьевидным дрожжам , так как имеют клейкие оболочки, что приводит к агглютинации и быстрому осаждению клеток.
Семейство шизосахаромицетов
Клетки палочковидной формы, размножаются делением, в неблагоприятных условиях – спорообразованием. Представители этого семейства рода Schizosaccharomyces вызывают спиртовое брожение и используется в странах с жарким климатом для производства пива, кубинского рома.
Семейство сахаромикодов
Клетки лимоновидной формы, размножаются почкующимся делением, а в неблагоприятных условиях – спорообразованием. Дрожжи рода Saccharomycoides вызывают спиртовое брожение, но являются вредителями в виноделии, так как образуют продукты, придающие винам неприятный прокисший запах. Такие дрожжи называются дикими дрожжами.
По классификации Ж. Лоддера и Крегера Ван Рия несовершенные дрожжи, не способные размножаться половым путем, а также утратившие способность к спиртовому брожению, представляют собой почкующиеся или делящиеся клетки, некоторые из них образуют псевдомицелий (вытянутые клетки). Классификация основана на следующих систематических признаках: способность образовывать ложный мицелий и отношение к сахарам. К аспорогенным относятся дрожжи родов Candida, Torulopsis, Rhodotorula (дикие дрожжи).
Вопросы для самопроверки
1. В чем сходство и различия грибов с растениями, с животными?
2. Что такое «мицелий», «гифы»?
3. Какой тип клеточной организации имеют большинство грибов?
4. Чем отличаются между собой высшие и низшие грибы?
5. В чем отличие совершенных грибов от несовершенных?
6. Какие признаки положены в основу классификации грибов?
7. Охарактеризуйте класс аскомицетов. Назовите наиболее важных представителей этого класса.
8. Охарактеризуйте класс дейтеромицетов. Какие из представителей дейтеромицетов являются возбудителями порчи плодов и овощей?
9. Каково строение спорангиеносцев, конидиеносцев?
10. Какие способы размножения грибов Вы знаете?
11. Что такое «оидии», «хламидоспоры»?
12. Перечислите основные стадии полового размножения грибов.
13. Что образуется в результате полового размножения у фикомицетов, аскомицетов, базидиомицетов?
15. Каковы формы и размеры дрожжевых клеток?
16. Каково строение дрожжевой клетки?
17. Как размножаются дрожжи?
18. Какие признаки положены в основу классификации спорогенных дрожжей Кудрявцева?
19. Охарактеризуйте семейство дрожжей-шизосахаромицетов.
20. Какие признаки положены в основу классификации аспорогенных дрожжей Ж. Лоддера и Крегера Ван Рия?
21. Что такое культурные и дикие дрожжи?
22. Охарактеризуйте дрожжи низового и верхового брожения.
В каких условиях осуществляется половое размножение дрожжей - аскомицетов?
Литература
1. Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987. – 500 с.
2. Чурбанова И.Н. Микробиология. – М.: Высшая школа, 1987. – 240 с.
3. Мудрецова-Висс К.А., Кудряшова А.А., Дедюхина В.П. Микробиология, санитария и гигиена – Владивосток: Изд-во ДВГАЭУ, 1997. – 312 с.
4. Асонов Н.Р. Микробиология. - 3-е издание, перераб. и доп.– М.: Колос, 1997. – 352 с.
Границы группы очерчены нечётко: многие грибы , способные вегетативно размножаться в одноклеточной форме и идентифицируемые поэтому как дрожжи, на других стадиях жизненного цикла образуют развитый мицелий , а в ряде случаев и макроскопические плодовые тела. Раньше такие грибы выделяли в особую группу дрожжеподобных, но сейчас их все обычно рассматривают вместе с дрожжами. Исследования 18S рРНК показали близкое родство с типичными дрожжами видов, способных к росту только в виде мицелия.
Размеры дрожжевых клеток обычно составляют 3-7 мкм в диаметре. Есть данные, что некоторые виды способны вырастать до 40 мкм .
Дрожжи имеют большое практическое значение, особенно пекарские или пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae ). Некоторые виды являются факультативными и условными патогенами . К настоящему времени полностью расшифрован геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae (они стали первыми эукариотами , чей геном был полностью секвенирован) и Schizosaccharomyces pombe .
История
Русское слово «дрожжи» имеет общий корень со словами «дрожь», «дрожать», которые применялись при описании вспенивания жидкости, зачастую сопровождающего брожение , осуществляемое дрожжами. Английское слово «yeast » (дрожжи) происходит от староанглийского «gist », «gyst », что означает «пена, кипеть, выделять газ» .
Дрожжи, вероятно, одни из наиболее древних «домашних организмов». Тысячи лет люди использовали их для ферментации и выпечки. Археологи нашли среди руин древнеегипетских городов жернова и пекарни, а также изображение пекарей и пивоваров. Предполагается, что пиво египтяне начали варить за 6000 лет до н. э., а к 1200 году до н. э. овладели технологией выпечки дрожжевого хлеба наряду с выпечкой пресного . Для начала сбраживания нового субстрата люди использовали остатки старого. В результате в различных хозяйствах столетиями происходила селекция дрожжей и сформировались новые физиологические расы, не встречающиеся в природе, многие из которых даже изначально были описаны как отдельные виды. Они являются такими же продуктами человеческой деятельности, как сорта культурных растений.
Луи Пастер - учёный, установивший роль дрожжей в спиртовом брожении
- Saccharomycotina
- Taphrinomycotina
- Schizosaccharomycetes
- Urediniomycetes
- Sporidiales
Особенности метаболизма
Дрожжи являются хемоорганогетеротрофами и используют органические соединения как для получения энергии, так и в качестве источника углерода. Им необходим кислород для дыхания , однако при его отстутствии многие виды способны получать энергию за счёт брожения с выделением спиртов (факультативные анаэробы). В отличие от бактерий , среди дрожжей нет облигатных анаэробов, гибнущих при наличии кислорода в среде. При пропускании воздуха через сбраживаемый субстрат дрожжи прекращают брожение и начинают дышать (поскольку этот процесс эффективнее), потребляя кислород и выделяя углекислый газ . Это ускоряет рост дрожжевых клеток (эффект Пастера ). Однако даже при доступе кислорода в случае высокого содержания глюкозы в среде дрожжи начинают её сбраживать (эффект Кребтри ).
Дрожжи достаточно требовательны к условиям питания. В анаэробных условиях дрожжи могут использовать в качестве источника энергии только углеводы , причём в основном гексозы и построенные из них олигосахариды. Некоторые виды (Pichia stipitis , Pachysolen tannophilus ) усваивают и пентозы, например, ксилозу . Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger способны сбраживать крахмал , Kluyveromyces fragilis - инулин . В аэробных условиях круг усваиваемых субстратов шире: помимо углеводов также жиры , углеводороды , ароматические и одноуглеродные соединения, спирты , органические кислоты . Гораздо больше видов способно использовать пентозы в аэробных условиях. Тем не менее, сложные соединения (лигнин , целлюлоза) для дрожжей недоступны.
Источниками азота для всех дрожжей могут быть соли аммония , примерно половина видов имеет нитратредуктазу и может усваивать нитраты . Пути усвоения мочевины различны у аскомицетовых и базидиомицетовых дрожжей. Аскомицетовые сначала карбоксилируют её, затем гидролизуют, базидиомицетовые - сразу гидролизуют уреазой .
Для практического применения важны продукты вторичного метаболизма дрожжей, выделяемые в малых количествах в среду: сивушные масла , ацетоин (ацетилметилкарбинол), диацетил, масляный альдегид, изоамиловый спирт, диметилсульфид и др. Именно от них зависят органолептические свойства полученных с помощью дрожжей продуктов.
Распространение
Местообитания дрожжей связаны преимущественно с богатыми сахарами субстратами: поверхностью плодов и листьев , где они питаются прижизненными выделениями растений, нектаром цветов, раневыми соками растений, мёртвой фитомассой и т. д., однако они распространены также в почве (особенно в подстилке и органогенных горизонтах) и природных водах. Дрожжи (р. Candida , Pichia , Ambrosiozyma ) постоянно присутствуют в кишечнике и ходах ксилофагов (питающихся древесиной насекомых), богатые дрожжевые сообщества развиваются на листьях, поражённых тлёй . Представители рода Lypomyces являются типичными почвенными обитателями.
Жизненный цикл
Отличительной особенностью дрожжей является способность к вегетативному размножению в одноклеточном состоянии. При сопоставлении с жизненными циклами грибов это выглядит как почкование спор или зиготы . Многие дрожжи также способны к реализации полового жизненного цикла (его тип зависит от аффинитета), в котором могут быть и мицелиальные стадии.
У некоторых дрожжеподобных грибов, образующих мицелий, возможен его распад на клетки (артроспоры). Это роды Endomyces , Galactomyces , Arxula , Trichosporon . У последних двух артроспоры после образования начинают почковаться. Trichosporon также образует вегетативные эндоспоры внутри клеток мицелия.
Циклы аскомицетных дрожжей
Жизненный цикл аскомицетных гапло-диплоидных дрожжей.
Наиболее характерным типом вегетативного размножения для одноклеточных аскомицетных дрожжей является почкование , лишь Schizosaccharomyces pombe размножаются не почкованием, а бинарным делением . Место закладки почки является важным диагностическим признаком: полярное почкование за счёт образования шрамов почкования приводит к формированию апикулярных (лимоновидных , Saccharomycodes , Hanseniaspora , Nadsonia ) и грушевидных (Schizoblastosporion ) клеток; многостороннее не видоизменяет форму клетки (Saccharomyces , Pichia , Debaryomyces , Candida ). У родов Sterigmatomyces , Kurtzmanomyces , Fellomyces почкование происходит на длинных выростах (стеригмах).
Почкование у аскомицетных дрожжей голобластическое: клеточная стенка материнской клетки размягчается, выгибается наружу и даёт начало клеточной стенке дочерней.
Часто, особенно у аскомицетных дрожжей родов Candida и Pichia , клетки после почкования не расходятся и образуют псевдомицелий, отличающийся от истинного отчётливо видными перетяжками на месте септ и более короткими по сравнению с предшествующими конечными клетками.
Дрожжи могут изменять свой тип спаривания с помощью рекомбинации ДНК . Это изменение у клеток происходит с частотой примерно 10-6 на клетку. Кроме локуса mat в клетке ещё имеется по копии генов mat а и mat α : соответственно HMR(Hidden MAT Right) и HML (Hidden MAT Left). Но эти локусы находятся в молчащем состоянии. Клетка заменяет работающий локус mat на копию. При этом копия снимается с того локуса , который находится в противоположенном аллельном состоянии. За этот процесс отвечает ген НО . Этот ген активен только в гаплоидном состоянии. Он кодирует эндонуклеазы , которые разрезают ДНК в локусе mat. Затем экзонуклеазы убирают участок mat и на его место встает копия HMR или HML.
Применение
Некоторые виды дрожжей с давних пор используются человеком при приготовлении хлеба, пива, вина, кваса и др. В сочетании с перегонкой процессы брожения лежат в основе производства крепких спиртных напитков . Полезные физиологические свойства дрожжей позволяют использовать их в биотехнологии . В настоящее время их применяют в производстве ксилита , ферментов, пищевых добавок , для очистки от нефтяных загрязнений.
Также дрожжи широко используются в науке в качестве модельных организмов для генетических исследований и в молекулярной биологии . Пекарские дрожжи были первыми из эукариот , у которых была полностью определена последовательность геномной ДНК . Важным направлением исследований является изучение прионов у дрожжей.
Традиционные процессы
Хлебопечение
Основная статья : Хлебопечение
Гранулированные сухие активные дрожжи - коммерческий продукт для хлебопечения
Приготовление печёного дрожжевого хлеба - одна из древнейших технологий. В этом процессе используется преимущественно Saccharomyces cerevisiae . Они проводят спиртовое брожение с образованием множества вторичных метаболитов, обуславливающие вкусовые и ароматические качества хлеба. Спирт испаряется при выпечке. Кроме того, в тесте формируются пузыри углекислого газа, заставляющие его «подниматься» и после выпечки придающие хлебу губчатую структуру и мягкость. Аналогичный эффект вызывает внесение в тесто соды и кислоты (обычно лимонной), но в этом случае не образуются вкусовые соединения.
Мука обычно бедна сбраживаемыми сахарами, поэтому в тесто добавляют яйца или сахар . Для получения большего количества вкусовых соединений тесто прокалывают или перемешивают, высвобождая углекислый газ, а потом снова оставляют «подниматься». Появляется, однако, риск, что дрожжам не хватит сбраживаемого субстрата.
Виноделие
Ягоды винограда со слоем дрожжей на них.
Дрожжи в естественных условиях присутствуют на поверхности плодов винограда , часто они заметны как светлый налёт на ягодах, образованный преимущественно Hanseniaspora uvarum . Хотя «дикие» эпифитные дрожжи и могут привести к непредсказуемому результату брожения, обычно они не выдерживают конкуренции с обитающими в винных бочках бродильщиками.
Собранный виноград давят, получая сок (муст, виноградное сусло) с 10-25 % сахара. Для получения белых вин от него отделяют смесь косточек и кожуры (мезга), в мусте для красных вин она остаётся. Затем в результате брожения сахара превращаются в этанол . Вторичные метаболиты дрожжей, а также соединения, полученные из них при созревании вина определяют его аромат и вкус. Для получения ряда вин (например, шампанского) вторично сбраживают уже перебродившее вино.
Прекращение брожения связано либо с исчерпанием запасов сахаров (сухое вино), либо с достижением порога токсичности этанола для дрожжей. Хересные дрожжи, в отличие от обычных дрожжей (которые погибают, когда концентрации спирта в растворе достигает 12 %), более устойчивы. Первоначально хересные дрожжи были известны только на юге Испании (в Андалусии), где благодаря их свойствам получали крепкое вино - херес (до 24 % при длительной выдержке). Со временем хересные дрожжи были также обнаружены в Армении , Грузии , Крыму и др. Хересные дрожжи также используют при производстве некоторых крепких сортов пива.
Пивоварение и квасоварение
Ячменный солод
В пивоварении в качестве сырья используется зерно (чаще всего ячмень), содержащее много крахмала, но мало сбраживаемых дрожжами сахаров. Поэтому перед брожением крахмал гидролизуют. Для этого используются амилазы , образуемые самим зерном при прорастании. Пророщенный ячмень носит название солод . Солод размалывают, смешивают с водой и варят, получая сусло , которое впоследствии сбраживается дрожжами. Различают пивные дрожжи низового и верхового брожения (эту классификацию ввёл датчанин Христиан Хансен).
Дрожжи верхового брожения (например, Saccharomyces cerevisiae ) формируют «шапку» на поверхности сусла, предпочитают температуры 14-25°C (поэтому верховое брожение также называется тёплым) и выдерживают более высокие концентрации спирта. Дрожжи низового (холодного) брожения (Saccharomyces uvarum , Saccharomyces carlsbergensis ) имеют оптимум развития при 6-10°C и оседают на дно ферментёра.
Использование дрожжей в современной биотехнологии
Промышленное производство спирта
Спиртовое брожение - процесс, приводящий к образованию этанола (CH 3 CH 2 OH) из водных растворов углеводов (сахаров), под действием некоторых видов дрожжей (см. ферментация) как вид метаболизма .
В биотехнологии для производства спирта используют сахарный тростник , фуражную кукурузу и другие дешёвые источники углеводов . Для получения сбраживаемых моно- и олигосахаридов они разрушаются серной кислотой или амилазами грибного происхождения. Затем проводится сбраживание и ректификационная перегонка спирта до стандартной концентрации около 96 % об. . Дрожжи рода Saccharomyces были генетически модифицированы для сбраживания ксилозы - одного из основных мономеров гемицеллюлозы, что позволяет повысить выход этанола при использовании растительного сырья, содержащего наряду с целлюлозой и значительные количества гемицеллюлоз. Всё это может снизить цену и улучшить его положение в конкурентной борьбе с углеводородным топливом .
Пищевые и кормовые дрожжи
Однако в 1990-е гг., в связи с возникшими гигиеническими и экологическими проблемами производства и применения микробного белка, а также с экономическим кризисом производство резко сократилось. Накопившиеся данные свидетельствовали о проявлении ряда отрицательных эффектов применения паприна в откорме птицы и животных. По экологическим и гигиеническим причинам снизился и интерес к данной отрасли и во всём мире.
Тем не менее на Западе сейчас производятся и продаются различные дрожжевые экстракты: вегемит , мармит , боврил, ценовис. Существуют подобные производства и в России, но их объёмы невелики . Для получения экстрактов используются либо автолизаты дрожжей (клетки разрушаются и белок становится доступным благодаря ферментам самих клеток), либо их гидролизаты (разрушение специальными веществами). Они применяются как пищевые добавки и для придания блюдам вкусовых качеств; кроме того, существуют косметические средства на основе дрожжевых экстрактов.
Продаются также дезактивированные (убитые тепловой обработкой), но не разрушенные пищевые дрожжи , особенно популярные у веганов из-за высокого содержания белка и витаминов (особенно группы B), а также малого количества жиров. Некоторые из них обогащены витамином B 12 бактериального происхождения.