Біологія - Дріжджі - Застосування

Деякі види дріжджів з давніх-давен використовуються людиною при приготуванні хліба, пива, вина, квасу та ін. У поєднанні з перегонкою процеси бродіння лежать в основі виробництва міцних спиртних напоїв. Корисні фізіологічні властивості дріжджів дозволяють використовувати їх у біотехнології. В даний час їх застосовують у виробництві ксиліту, ферментів, харчових добавок для очищення від нафтових забруднень.

Також дріжджі широко використовуються в науці як модельні організми для генетичних досліджень і в молекулярній біології. Пекарські дріжджі були першими з еукаріотів, у яких була повністю визначена послідовність геномної ДНК. Важливим напрямом досліджень є вивчення пріонів у дріжджів.

Традиційні процеси

Хлібопечення

Приготування печеного дріжджового хліба одна з найдавніших технологій. У цьому процесі використовується переважно Saccharomyces cerevisiae. Вони проводять спиртове бродіння з утворенням безлічі вторинних метаболітів, що зумовлюють смакові та ароматичні якості хліба. Спирт випаровується при випіканні. Крім того, у тесті формуються бульбашки вуглекислого газу, що змушують його «підніматися» і після випічки надають хлібу губчасту структуру та м'якість. Аналогічний ефект викликає внесення в тісто соди та кислоти, але в цьому випадку смак та аромат хліба поступається такому, приготовленому з використанням дріжджів.

На смак і аромат хліба впливають не тільки якість сировини, використаної для випічки хліба, але й характеристика ферментативних і термальних процесів, так, що редукують цукру, що утворюються під дією амілаз, є як субстратом для бродіння, при цьому продуктами є і в тому числі низьколеткі ароматичніречовини, що утворюються при підсмажуванні за рахунок неферментативної реакції з амінокислотами ароматичними речовинами, також велике значення мають протеази та ліпооксигенази.

Дріжджі в природних умовах є на поверхні плодів винограду, часто вони помітні як світлий наліт на ягодах, утворений переважно Hanseniaspora uvarum. «Справжніми» винними дріжджами прийнято вважати вид Saccharomyces cerevisiae, який у природі зустрічається лише на 1 ягоді винограду з 1000 року. Однак ця раса дріжджів відрізняється значно вищою етанолостійкістю порівняно з іншими. Що в більшості випадків призводить до того, що саме вона і виграє конкуренцію і пригнічує решту видів у процесі бродіння вина.

Зібраний виноград тиснуть, отримуючи сік із 10—25 % цукру. Для отримання білих вин від нього відокремлюють суміш кісточок та шкірки, у мусті для червоних вин вона залишається. Потім у результаті бродіння цукру перетворюються на етанол. Вторинні метаболіти дріжджів, а також сполуки, отримані з них при дозріванні вина, визначають його аромат і смак, також велике значення в дозріванні вина, що вже перебродило, і наданні йому аромату мають молочнокислі бактерії, наприклад Oenococcus oeni. Для отримання ряду вин вдруге зброджують вибро, що вже перебродило.

Припинення бродіння пов'язане з вичерпанням запасів цукрів, або з досягненням порога токсичності етанолу для дріжджів. Хересні дріжджі Saccharomyces beticus, на відміну від звичайних дріжджів, більш стійкі. Спочатку хересні дріжджі були відомі лише на півдні Іспанії, де завдяки їхнім властивостям отримували міцне вино – херес. Згодом хересні дріжджі були також виявлені у Вірменії, Грузії, Криму та ін. Хересні дріжджі також використовують при виробництві деякихміцних сортів пива.

Пивоваріння та квасоваріння

У пивоварінні як сировина використовується зерно, що містить багато крохмалю, але мало зброджуються дріжджами цукрів. Тому перед бродінням крохмаль гідролізують. Для цього використовуються амілази, що утворюються самим зерном під час проростання. Пророщений ячмінь зветься солод. Солод розмелюють, змішують із водою і варять, отримуючи сусло, яке згодом зброджується дріжджами. Розрізняють пивні дріжджі низового та верхового бродіння.

Дріжджі верхового бродіння формують «шапку» на поверхні сусла, віддають перевагу температурі 14—25 °C і витримують вищі концентрації спирту. Дріжджі низового бродіння мають оптимум розвитку при 6-10 ° C і осідають на дно ферментера.

При створенні пшеничного пива часто використовується Torulaspora delbrueckii. При виготовленні ламбіка застосовуються дріжджі, що випадково потрапили в ферментер, зазвичай вони належать до роду Brettanomyces.

Квас виробляється за аналогічною схемою, проте крім ячмінного широко застосовується житній солод. До нього додається борошно та цукор, після чого суміш заливається водою та вариться з утворенням сусла. Найважливішою відмінністю квасоваріння від виробництва пива є використання при зброджуванні сусла, крім дріжджів молочнокислих бактерій.

Використання дріжджів у сучасній біотехнології

Промислове виробництво спирту

Спиртове бродіння - процес, що призводить до утворення етанолу з водних розчинів вуглеводів, під дією деяких видів дріжджів як вид метаболізму.

У біотехнології для виробництва спирту використовують цукрову тростину, фуражну кукурудзу та інші дешеві джерела вуглеводів. Для отримання моно- і олігосахаридів, що зброджуються, вони руйнуються сірчаною кислотою або амілазами грибного.походження. Потім проводиться зброджування і перегонка ректифікації спирту до стандартної концентрації близько 96 % про. Дріжджі роду Saccharomyces були генетично модифіковані для зброджування ксилози одного з основних мономерів геміцелюлози, що дозволяє підвищити вихід етанолу при використанні рослинної сировини, що містить поряд з целюлозою і значну кількість геміцелюлоз. Все це може знизити ціну та покращити його становище у конкурентній боротьбі з вуглеводневим паливом.

Дріжджі у виробництві альтернативного пального

Дріжджі як біоенергетичний засіб і як організми ферментації цукру, використовуються у виробництві альтернативного пального для транспортних засобів і придбали на початку XXI століття новий інтерес і підвищену увагу.

Харчові та кормові дріжджі

Залежно від виду культивованих організмів та середовища вирощування кормові дріжджі поділяють на такі різновиди:

Гідролізні – для культивування дріжджових грибків застосовуються гідролізати деревних та сільськогосподарських відходів. Також можуть застосовуватись відходи целюлозно-паперового виробництва.
Класичні кормові дріжджі отримують шляхом вирощування дріжджових грибів на барді, що отримується як відхід у спиртовому виробництві.
БВК - продукт культивування дріжджових клітин на відходах переробки різної нерослинної сировини - нафтових парафінах, нижчих органічних спиртах - метанолі, етанолі, а також природному газі.

У СРСР перші великі заводи з виробництва білка паприна, потужністю 70 000 т. на рік, були пущені в м. Кстово Нижегородської області в 1973 році і в м. Кіріш Ленінградської області в 1974 році. Як сировину використовувалися відходи нафтопереробки. До 1970 року, зметою заповнення нестачі білкового харчування, в СРСР планувалося випускати 900000 тонн кормових і харчових дріжджів на рік, таким чином до 1985 стаючи лідером з виробництва білка одноклітинних.

Однак у 1990-ті рр., у зв'язку з гігієнічними та екологічними проблемами виробництва та застосування мікробного білка, а також з економічною кризою виробництво різко скоротилося. Дані свідчили про прояв низки негативних ефектів застосування паприна у відгодівлі птиці та тварин. З екологічних та гігієнічних причин знизився і інтерес до цієї галузі та у всьому світі.

Проте на Заході зараз виробляються та продаються різні дріжджові екстракти: вегеміт, марміт, боврил, ціновіс. Існують подібні виробництва і в Україні, але їх обсяги невеликі. Для отримання екстрактів використовуються або автолізати дріжджів або їх гідролізати. Вони застосовуються як харчові добавки і для надання страв смакових якостей; крім того, існують косметичні засоби на основі екстрактів дріжджів.

Продаються також дезактивовані, але не зруйновані харчові дріжджі, особливо популярні у веганів через високий вміст білка та вітамінів, а також малу кількість жирів. Деякі з них збагачені вітаміном B12 бактеріального походження.

Застосування у медицині

Висушені пивні дріжджі використовують для виробництва лікарських препаратів та БАД.
Тривалий час випускався препарат Гефефітін як загальнозміцнюючий лікарський засіб.
Рідкі пивні дріжджі традиційно прописувалися ослабленим, особам з алергічними захворюваннями
Існує ряд препаратів на основі Saccharomyces boulardii, які підтримують та відновлюють флору шлунково-кишкового тракту.Показано, що S. boulardii знімає симптоми гострої діареї у дітей, запобігає реінфекції Clostridium difficile, знижує частоту скорочень мускулатури кишечника у хворих на синдром подразненого кишечника, знижує ризик виникнення різних видів діареї.

Застосування як модельний об'єкт

Багато даних з цитології, біохімії та генетики еукаріотів були вперше отримані на дріжджах роду Saccharomyces. Особливо це положення стосується біогенезу мітохондрій: дріжджі виявилися одними з небагатьох організмів, здатних існувати тільки за рахунок гліколізу і не гинуть в результаті мутацій в геномі мітохондрій, що перешкоджає їх нормальному розвитку. Для генетичних досліджень важливий короткий життєвий цикл дріжджів та можливість швидкого отримання великої кількості їх особин та поколінь, що дозволяє вивчати навіть дуже рідкісні явища.

В даний час інтенсивно ведеться вивчення пріонів дріжджів, оскільки ті близькі за будовою до відкритих раніше пріонів ссавців, проте абсолютно безпечні для людини; їх також значно простіше досліджувати.

Чайний гриб

Чайний гриб є асоціацією дріжджів та оцтовокислих бактерій, дані бактерії відносяться до роду Zoogloea. Найчастіше спостерігалися асоціації дріжджів Brettanomyces bruxellensis, Candida stellata, Schizosaccharomyces pombe, Torulaspora delbrueckii, Zygosaccharomyces bailii та інших, з рядом штамів сімейства Acetobacteraceae. Його використання в українській імперії почалося у 1900-х роках, мабуть, він був завезений після українсько-японської війни.

У 50-ті роки XX століття СРСР активно досліджували різні природні речовини для їх медичного використання. У брошурі «Чайний гриб та його лікувальні властивості» відмічені антимікробні тапротиатеросклеротичні властивості зооглеї чайного гриба та його культуральної рідини

Комерційні продукти, що продаються під назвою «сухі дріжджі»

До складу таких дріжджів входять як клітини мікроорганізмів, а й мінеральні добавки, деякі ферменти.