Drożdże.pdf

M IKROBIOLOGIA T ECHNICZNA – studia zaoczne

Ćwiczenie 2 część teoretyczna

___________________________________________________________________________

Ć WICZENIE 2: P ORÓWNANIE FERMENTACJI Z HODOWLĄ

BIOMASY DROBNOUSTROJÓW

W STĘP

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat obserwuje się na całym świecie nasilający się

deficyt żywności, w szczególności białka zwierzęcego. Zapewnienie pokarmu dla stale

zwiększającej się liczby mieszkańców naszej planety, a także pasz dla zwierząt hodowlanych,

zaczyna stanowić coraz poważniejszy problem. Samo powiększenie areału upraw, czy

wydajności rolnictwa nie wystarczy. Dużą rolę odgrywają tu liczne ograniczenia klimatyczne,

techniczne, czy po prostu brak dalszych terenów, które mogłyby być przeznaczone pod

pastwiska i uprawy rolne. Stąd od pewnego czasu przemysł spożywczy zaczyna poszukiwać

nowych źródeł pokarmu. Jednym z nich są drobnoustroje, które odpowiednio prowadzone

mogą stać się kopalnią wielu cennych składników pokarmowych. Wśród szczególnie silnie

rozwijających się ostatnio dziedzin nauki jest mikrobiologia, a w szczególności jej obszary

zajmujące się produkcją biomasy drobnoustrojowej przeznaczonej na paszę dla zwierząt, a

także jako pokarm dla ludzi.

Wśród mikroorganizmów o wysokiej wartości odżywczej, jako dodatki do pasz wykorzystuje

się drożdże paszowe, otrzymywane w procesach fermentacji w postaci biomasy. Skład

chemiczny komórki drożdżowej ulega znacznym wahaniom, w zależności od warunków

hodowli, wieku komórek i szybkości wzrostu. Teoria Finka dotycząca hodowli drożdży

mówi, że 2/3 wprowadzonej do podłoża glukozy powinno przejść w biomasę. Pozostała część

cukrów wykorzystywana jest przez komórki do syntezy produktów ubocznych oraz na

potrzeby życiowe.

Drożdże paszowe zawierają:

48-52% białka

13-16% cukrowców

2-3% tłuszczów

22-40% substancji bezazotowych

6-10% składników popiołowych.

Skład aminokwasowy drożdży jest zbliżony do białka zwierzęcego. Ponadto drożdże są

bogate w witaminy z grupy B, makro- i mikroelementy (fosfor, wapń, potas, magnez, żelazo,

siarkę, miedź mangan, kobalt).

Oprócz drożdży cennym źródłem składników pokarmowych są bakterie i glony, do

pasz dodaje się masę z hodowli bakterii Azotobacter , wykorzystuje się także glony

fotosyntezujące Chlorella i Scenedesmus . W krajach dalekiego wschodu opracowano metody

biosyntezy niektórych aminokwasów przez bakterie, np. kwas glutaminowy, lizynę i

L-leucynę otrzymuje się z hodowli Micrococcus glutamicus . Prowadzone są także badania

nad przetwarzaniem żywności przez grzyby pleśniowe, dzięki czemu z produktów zbożowych

bogatych w węglowodany można otrzymać produkty o wysokiej zawartości białka i witamin.

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

M IKROBIOLOGIA T ECHNICZNA – studia zaoczne

Ćwiczenie 2 część teoretyczna

___________________________________________________________________________

1. Drożdże

1.1. Systematyka drożdży

Drożdże nie stanowią homogennej grupy taksonomicznej. Są grzybami, ze względu na

pokrewieństwo filogenetyczne i zdolność do rozmnażania na drodze generatywnej,

zaliczanymi do 3 klas:

Klasa I: Ascomycetes

Rozmnażają się generatywnie przez wytwarzanie zarodników wewnątrz worka

(askospory) oraz wegetatywnie przez pączkowanie wieloboczne. Mogą formować grzybnię. Z

wyjątkiem Schizosaccharomyces nie wytwarzają enzymu ureazy. Ściana komórkowa jest

3-warstwowa, zbudowana z glukanu i mannanu. Nie wytwarzają pigmentu. Należą tu drożdże

fermentujące i nie fermentujące sacharydów. Rodziny: Ascoidiaceae, Spermophtoraceae,

Endomycetaceae, Schizosaccharomycetaceae, Saccharonycodaceae, Lipomycetaceae

i Saccharomycetaceae.

Klasa II: Basidiomycetes

Wytwarzają zarodniki podstawkowe (bazydiospory), formują dikariotyczną grzybnię

podzieloną septami. Wegetatywnie rozmnażają się przez pączkowanie biegunowe.

Wytwarzają ureazę, nie fermentują sacharydów. Ściana komórkowa ma budowę włóknistą,

czasami ze śluzowatą powierzchnią, zbudowana jest głównie z chityny i mannanu. Rzadko

wytwarzają pigmenty. Rodziny: Filobasiadiaceae, Teliosporaceae, Sirobasidiaceae i

Tremellaceae .

Klasa III: Deuteromycetes (Fungi imperfecti)

Obejmuje gatunki drożdży, u których nie zaobserwowano cyklu rozmnażania płciowego i nie

będące haploidalnymi przedstawicielami gatunków zarodnikujących. Mogą wykazywać cechy

zarówno Ascomycetes, jak i Basiomycetes. Należą tu m.in. rodzaje Candida, Brettanomyces,

Cryptococcus, Kloeckera, Trichosporon .

Pod względem wykorzystania w przemyśle drożdże dzieli się na:

• gorzelnicze

• browarnicze

• piekarskie

• winiarskie

• paszowe.

1.2. Morfologia i ogólna charakterystyka drożdży

Komórki drożdży nie zawierają chlorofilu, a więc nie są zdolne do przeprowadzania

fotosyntezy. Są chemoorganotrofami. Mogą być albo saprofitami albo pasożytami. Są

powszechne we wszystkich środowiskach, w których znaleźć można węglowodany oraz pH

kształtuje się w zakresie 5-6.

Wielkość i kształt komórek drożdży zależy od gatunku, fazy rozwojowej, stanu

fizjologicznego, warunków środowiska (hodowli) i aktualnej funkcji komórki w populacji. Na

podstawie wyglądu komórek i zarodników drożdże można zakwalifikować do poszcególnych

gatunków (rys. 1.).

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

M IKROBIOLOGIA T ECHNICZNA – studia zaoczne

Ćwiczenie 2 część teoretyczna

___________________________________________________________________________

Zwykle komórki mają 1 do 8 µm długości i 1 do 6 µm szerokości. Generalnie można

wyróżnić 6 podstawowych kształtów, często charakterystycznych dla poszczególnych

rodzajów: kulisty ( Torulaspora, Rhodotorula ), elipsoidalny, cytrynkowaty

( Saccharomycodes , Nadsonia , Kloeckera, Hanseniaspora ), butelkowaty ( Pityrosporum ),

cylindryczny ( Schizosaccharoyces ) i nitkowaty.

Rysunek 1. Morfologia ważniejszych gatunków: A — Saccharomyces cerevisiae, A1 — komórka

pączkująca, A2 — worki z zarodnikami, B — Candida utilis, C — Kluyveromyces fragilis, C1 — worki z

zarodnikami, C2 — zarodniki, D — Schizosaccharomyces pombe, D1 — worki z zarodnikami

W skład komórki drożdżowej wchodzi ściana komórkowa, błona cytoplazmatyczna,

cytoplazma, jądro, jąderko, wodniczki, rybosomy, mitochondria, retikulum

endoplazmatyczne, substancje zapasowe (rys. 2.).

Ściana komórkowa drożdży ma budowę warstwową. Głównymi substancjami budulcowymi

ściany są: białka, mannan i glukan. W ścianie zakotwiczone są też liczne enzymy, w tym

inwertaza, fosfataza i katalaza, które umożliwiają m.in. przekształcanie już w ścianie

komórkowej złożonych składników pokarmowych na proste: sacharozę do glukozy i fruktozy,

maltozę do glukozy. Zadaniem błony komórkowej jest m.in. utrzymanie odpowiedniego

kształtu komórki, regulacja procesów wchłaniania składników odżywczych, wydzielanie

produktów przemiany materii oraz utrzymanie równowagi między ciśnieniem osmotycznym

płynu wewnątrzkomórkowego a otaczającym środowiskiem.

Jądro komórkowe ma kształt owalny i średnicę około 2,5 µm. Charakteryzuje się

gruzełkowatą strukturą, w jego skład wchodzą nukleoproteidy.

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

M IKROBIOLOGIA T ECHNICZNA – studia zaoczne

Ćwiczenie 2 część teoretyczna

___________________________________________________________________________

Rysunek 2. Komórka drożdżowa

Cytoplazma w młodej komórce drożdżowej ma jednolitą strukturę i wypełnia całą objętość

komórki. W miarę procesu starzenia cytoplazma staje się ziarnista, pojawiają się wodniczki

wypełnione sokiem komórkowym (wodny roztwór soli organicznych, białek, cukrowców i

innych związków).

Substancje zapasowe są odkładane w cytoplazmie dojrzałych komórek drożdżowych w

postaci:

• wolutyny — substancji o charakterze białkowym,

• glikogenu — węglowodanu, który gromadzi się w komórkach drożdży

hodowanych na podłożach zawierających cukry, a jego obecność świadczy o

dobrym odżywieniu komórek,

• tłuszczu — substancji zapasowej występującej w postaci kropli silnie

załamujących światło.

Oprócz tego w drożdżach występuje dwucukier, zwany trehalozą , który wpływa na

zahamowanie spadku siły pędnej drożdży przy przechowywaniu drożdży suszonych.

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

M IKROBIOLOGIA T ECHNICZNA – studia zaoczne

Ćwiczenie 2 część teoretyczna

___________________________________________________________________________

W zależności od rasy drożdże rozmnażają się przez:

• pączkowanie — wegetatywnie,

• podział poprzeczny komórki (rozszczepianie) — wegetatywnie,

• zarodnikowanie — wegetatywnie (płciowo),

• kopulację — płciowo.

2. Metabolizm drożdży

Do produkcji drożdży piekarskich używa się drożdży fermentujących Saccharomyces

cerevisiae . Komórki S. cerevisiae mogą – w zależności od warunków środowiska (tj. dostępu

do źródła węgla w postaci sacharydów oraz obecności tlenu) – prowadzić zarówno

metabolizm tlenowy, jak i beztlenowy. Ścisłe oddzielenie w czasie przemian beztlenowych

i tlenowych nie jest możliwe, gdyż fermentacja sacharydów prowadzona jest również w

trakcie wzrostu komórek, przy ograniczonym dostępie tlenu.

2.1. Beztlenowy metabolizm sacharydów - fermentacja

Fermentacja etanolowa (alkoholowa) stanowi szereg reakcji enzymatycznych

polegających na przekształceniu sacharydów do etanolu, dwutlenku węgla oraz wytwarzaniu

energii niezbędnej do procesów życiowych komórki drożdży. Przemiany składające się na

fermentację tworzą szlak amfiboliczny (powstające metabolity pośrednie są wykorzystywane

jako substraty do produkcji biomasy oraz donory i akceptory atomów wodoru i elektronów).

Większość drożdży fermentujących może wykorzystywać glukozę, fruktozę, mannozę

i galaktozę.

Głównym szlakiem fermentacji jest ciąg przemian cukrów zwany szlakiem

Embdena-Meyerhofa-Parnasa (EMP) (rys. 3.). Fermentowany cukier po wniknięciu do

komórki drożdży jest przekształcany do D-glukozy, która ulega fosforylacji do glukozo-6-

fosforanu, a następnie w wyniku kolejnych przemian enzymatycznych szlaku EMP do 2

cząsteczek pirogronianu. Po ich dekarboksylacji (do aldehydu octowego i CO 2 ) aldehyd

octowy jest redukowany, przy udziale dehydrogenazy alkoholowej, do etanolu. Wytworzona

energia zostaje zmagazynowana w postaci 2 cząsteczek ATP.

C 6 H 12 O 6 2CO 2 + 2CH 3 CH 2 OH + 118,43 kJ/mol

Zaledwie 26% energii wytworzonej z 1 mola glukozy jest magazynowane w postaci ATP.

74% energii zostaje uwolnione w postaci ciepła. Ponieważ podczas fermentacji temperatura

powinna być stale kontrolowana i utrzymywana na poziomie 24-28ºC, konieczne jest

chłodzenie kadzi z brzeczką fermentacyjną.

W rzeczywistości około 95% glukozy jest fermentowane na drodze EMP, a oprócz

głównych produktów fermentacji powstają niewielkie ilości glicerolu, kwasów organicznych,

alkoholi fuzlowych i mieszaniny wyższych alkoholi, głównie pentanolu, butanolu i propanolu.

W warunkach limitowanego dostępu azotu, do etanolu i CO2 przekształcane jest jedynie 70%

glukozy, natomiast jej pozostała część jest magazynowana w postaci glikogenu.

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: