Charakterystyka drożdży.pdf

B IOTECHNOLOGIA – STUDIA DZIENNE

Prowadzący: dr Aleksandra Duda-Chodak

_________________________________________________________________________

P RODUKCJA B IOMASY – CZĘŚĆ I

C ZĘŚĆ T EORETYCZNA

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.

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.

1. Drożdże

1.1. S YSTEMATYKA DROŻDŻY

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

pokrewieństwo filogenetyczne i zdolność do rozmnażania na drodze generatywnej,

zaliczanymi do 2, a wg niektórych do 3 klas.

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

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

B IOTECHNOLOGIA – STUDIA DZIENNE

Prowadzący: dr Aleksandra Duda-Chodak

_________________________________________________________________________

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: 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 Basidiomycetes . Należą tu m.in. rodzaje Candida, Brettanomyces,

Cryptococcus, Kloeckera, Trichosporon .

Niektórzy badacze zaliczają do drożdży także grzyby z Klasy III: 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: Filobasidiaceae, Teliosporaceae, Sirobasidiaceae i

Tremellaceae .

1.2. M ORFOLOGIA I OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA DROŻDŻY

Obowiązują wiadomości na temat budowy komórki drożdżowej (morfologia komórki

drożdżowej i ważniejszych gatunków, wielkość, skład chemiczny, struktury komórkowe,

substancje zapasowe, typy drożdży, rozmnażanie) z wcześniejszych ćwiczeń.

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. B EZTLENOWY 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. 1.). Fermentowany cukier po wniknięciu do

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

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

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

B IOTECHNOLOGIA – STUDIA DZIENNE

Prowadzący: dr Aleksandra Duda-Chodak

_________________________________________________________________________

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.

Glikoliza jest procesem amfibolicznym, gdyż wiele metabolitów pośrednich tego

szlaku jest wykorzystywane do biosyntezy składników komórkowych: glukozo-6-fosforan w

syntezie glukanu (sacharyd ściany komórkowej), triozofosforany w syntezie lipidów,

pirogronian jako prekursor aminokwasów.

Jednak rosnące komórki drożdży wymagają do procesów biosyntezy znacznie więcej

związków niż szlak EMP jest w stanie dostarczyć. Są one tworzone w obecności tlenu, w

cyklu Krebsa oraz na drodze tlenowych przemian glukozo-6-fosforanu w obecności NADP +

w szlaku heksozomonofosforanowym (HMP), nazywanym też szlakiem pentozowym. W

warunkach beztlenowych – poziom enzymów cyklu Krebsa (gł. dehydrogenazy

2-oksoglutaranu) oraz szlaku pentozowego (dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu) jest bardzo

niski.

2.2. T LENOWY METABOLIZM WĘGLOWODANÓW

Drożdże fermentujące w obecności tlenu przekształcają sacharydy, wykorzystując tlen

cząsteczkowy jako akceptor protonów. Drożdże niefermentujące metabolizują węglowodany

tylko na drodze tlenowej.

Podstawowymi szlakami metabolizmu tlenowego są cykl Krebsa (zwany też cyklem

kwasów trójkarboksylowych lub cyklem TCA) oraz cykl glioksalowy (rys. 2.), natomiast

zmagazynowanie energii w postaci ATP zachodzi w cytochromach zlokalizowanych w

mitochondriach.

Powstały w procesie glikolizy pirogronian, na drodze dekarboksylacji oksydatywnej,

przy udziale koenzymu A i w obecności dehydrogenazy pirogronianowej zostaje

przekształcony do acetylokoenzymu A. Zaktywowany acetyl zostaje całkowicie utleniony do

dwutlenku węgla w szeregu cyklu kwasów trójkarboksylowych. Cykl Krebsa jest szlakiem

amfibolicznym, dostarczającym wielu substratów wykorzystywanych w procesach biosyntezy

w komórce, np. w syntezie aminokwasów.

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

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

B IOTECHNOLOGIA – STUDIA DZIENNE

Prowadzący: dr Aleksandra Duda-Chodak

_________________________________________________________________________

Rysunek 1. Cykl Embdena-Meyerhofa-Parnasa

W przypadku wyczerpania zasobów cukru w pożywce hodowlanej, cykl Krebsa zostaje

zahamowany na poziomie izocytrynianu, a metabolizm sacharydów jest prowadzony na

drodze cyklu glioksalowego. Wówczas, jako źródło węgla komórki wykorzystują inne

metabolity np. aldehyd octowy, etanol, glicerol, które są przekształcane w acetylo-CoA. Dalej

w szlaku TCA do izotiocytrynianu, kwasu glioksalowego i jabłczanu.

Końcowymi etapami metabolizmu tlenowego drożdży są reakcje zachodzące w łańcuchu

oddechowym, polegające na przenoszeniu elektronów i protonów. Końcowym akceptorem

elektronów jest tlen cząsteczkowy.

W procesie utleniania biologicznego wytwarzana energia magazynowana jest w postaci ATP

– podczas oddychania tlenowego cząsteczka glukozy utleniana jest do dwutlenku węgla

i wody z wytworzeniem 38 cząsteczek ATP.

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 2H 2 O + 2824 kJ/mol

__________________________________________________________________________________________

K ATEDRA T ECHNOLOGII F ERMENTACJI I M IKROBIOLOGII T ECHNICZNEJ

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

B IOTECHNOLOGIA – STUDIA DZIENNE

Prowadzący: dr Aleksandra Duda-Chodak

_________________________________________________________________________

Rysunek 2. Cykl Krebsa i cykl glioksalowy

2.3. O DDYCHANIE I FERMENTACJA – EFEKTY REGULACYJNE

Procesy oddychania tlenowego i beztlenowego są w komórkach drożdży

nierozerwalne. Rodzaj prowadzonego metabolizmu zależy nie tylko od dostępu tlenu, ale

również wielu czynników. U niektórych gatunków drożdży oddychanie i fermentacja

przebiegają prawie w tych samych proporcjach, u innych obserwuje się przewagę jednego z

tych procesów. Browarnicze drożdże dolnej fermentacji Saccharomyces uvarum

charakteryzują się najmniejszym udziałem oddychania w procesach metabolicznych,

natomiast drożdże browarnicze górnej fermentacji Saccharomyces cerevisiae wykazują

metabolizm tlenowy na poziomie zbliżonym do ras drożdży piekarskich S. cerevisiae .

Na podstawie aktywności oddechowej drożdże mogą być podzielone na 3 grupy:

- wykazujące metabolizm tlenowy – drożdże niefermentujące, u których zachodzi

jedynie oddychanie

__________________________________________________________________________________________

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: