Культивирования и состава среды

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

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. 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.

Активная кислотность (рН) и формольное число (ф. ч.). 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.

Формольное число указывает на наличие в среде усвояемого азота, необходимого для формирования белка клетки. Недостаток азота в среде тормозит синтез биомассы; скорость роста дрожжей при этом понижается. Для обеспечения высокой скорости роста дрожжей надо соблюдать оптимальную величину ф. ч. В период интенсивного роста дрожжей ф. ч. составляет: на стадии получения засевных дрожжей 1,0–1,5 см³ 0,1 М NaOH, а товарных 0,7–0,8 см³ 0,1 М NaOH. В случае снижения его в период интенсивного роста до 0,4–0,5 см³ следует срочно вводить в культуральную среду сульфат аммония или аммиачную воду в зависимости от рН среды. В конце процесса ф. ч. понижается до 0,2–0,3 см³, а после дозревания должно составлять 0,1–0,2 см³ 0,1 М NaOH.

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 клеток. Осмотическое давление клеточного сока 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. В зависимости от стадии выращивания дрожжей готовят мелассное сусло различной степени 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 дрожжерастительный аппарат не единовременно, а притоком, по мере использования ее дрожжами.

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 активизирует 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.

На полноценной питательной среде дрожжи выращивают при полном их обеспечении кислородом с аэрацией 100–175 м³/ч воздуха на 1 м³ сусла. Аэрация среды должна быть непрерывной.

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. На скорость роста дрожжей также отрицательно влияют дезинфицирующие вещества, применяемые в дрожжевом производстве (формалин и др.).

К веществам, активирующим рост и размножение дрожжей и повышающим скорость их роста, относятся кукурузный экстракт, карбоксилин и др.

Требования к составу питательной среды. При выращивании хлебопекарных дрожжей подготавливают питательную среду, обеспечивающую растущие клетки 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.

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

Дрожжам необходимы также ростовые вещества и витамины, особенно биотин.

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.

На формирование дрожжевых клеток значительно влияет не только общая обеспеченность процесса необходимыми для роста веществами, но и распределение их во время культивирования.

Для получения высоких скоростей роста рекомендовано соли, содержащие калий, магний и микроэлементы, а также ростовые вещества вносить при загрузке дрожжерастительного аппарата, а углеводное, азотное и фосфорное питание вводить постепенно (притоком). Причем необходимо соблюдать равновесие между размножением дрожжей (их приростом) и подачей углеводного, азотного и фосфорного питания, а также аэрацией культуральной среды. Отсутствие сбалансированного питания нарушает формирование ферментных систем клетки, что снижает скорость роста дрожжей и их качество.