Реферат - Дрожжи и их применение в биотехнологии - файл n1.doc

Реферат - Дрожжи и их применение в биотехнологии
скачать (636 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc636kb.01.06.2012 07:55скачать
Победи орков

Доступно в Google Play

n1.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НТУ «ХПИ»








ПО ТЕМЕ:



Дрожжи и их применение в биотехнологии

2009 год

С О Д Е Р Ж А Н И Е

1. Общие сведения



2. Исторические периоды развития знаний о дрожжах


3. Дрожжевая клетка.


4. Половое размножение и жизненные циклы дрожжей.


5. Применение дрожжей в биотехнологии.

- Виноделие

-Производство шампанского

-Пивоварение и квасоварение

-Современное производство пекарских дрожжей

-Производство этанола

-Гидролизаты древесины

-Производство кормовых дрожжей

-Производство витаминов из дрожжей

-Производство органических кислот с помощью дрожжей

-Молочная сыворотка

-Кефир

-Дрожжи в сыроварении

- «Чайный гриб»


6. Литература


Общие сведения
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 — внетаксономическая группа одноклеточных грибов, утративших мицелиальное строение в связи с переходом к обитанию в жидких и полужидких, богатых органическими веществами субстратах. Объединяет около 1500 видов, относящихся к аскомицетам и базидиомицетам.
Аскомицетные и базидиомицетные дрожжи
Различить дрожжи, принадлежащие к разным отделам грибов можно как по характеристикам их жизненного цикла, так и без его наблюдения 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 , содержание ГЦ пар в ДНК (26—48 % у аскомицетных, 44—70 % у базидиомицетных), наличие уреазы (характерна за несколькими исключениями только базидиомицетным) и др.
Типичное разделение


Аскомицеты

Базидиомицеты

Saccharomycotina

Urediniomycetes

Taphrinomycotina

Sporidiales

Schizosaccharomycetes

 


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.

2. Исторические периоды развития знаний о дрожжах
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.

На примере данной таблицы рассмотрим этапы развития знаний о дрожжах и причастность к этим этапам людей, ученых из разных стран:



Этап

События, люди, страны

До IXX в. Донаучный. Использование человеком продуктов жизнедеятельности дрожжей без знания самих «виновников».

Получение хмельных напитков. Египет, 6000 л. до н.э. Выпечка кислого хлеба, Египет. < 1200 л. до н.э. Отгонка спирта, Китай. 1000 л. до н.э. Возникновение пивоварения. Европа (монастыри в Германии, 1200-1300) Производство виски. Ирландия, 1192 Первые зарисовки клеток дрожжей. Левенгук (Голландия), 1680

1832 - до конца века ~ 70 лет Рождение науки на уровне накопления фактов.

Первые описания дрожжей как грибов, Т.Шванн, М.Я.Шлейден, Ш.Каньяр де Латур, Х.де Фриз, 1832 Спиртовое брожение как энергетический процесс. Л.Пастер (Франция), 1863 Первое описание жизненного цикла дрожжей. Г.А. Де Бари (Германия), 1866 Получение чистых культур для пивоварения. Э.Хансен (Дания), 1881 Наблюдение брожения в бесклеточных экстрактах дрожжей. Возникновение энзимологии. Бюхнер (Германия), 1897 Первая классификация дрожжей. Э.Хансен (Дания), 1896

Первая половина XX в.Окончательное становление и дифференциация зимологии, появление «ветвей».

Эволюционные принципы в систематике дрожжей. А.Гийермон (Франция), 1909 Организация коллекции: зарождение CBS. A.Клюйвер (Голландия) Открытие мутагенеза у дрожжей. Г.А.Надсон, С.Г.Филиппов (СССР) Генетика дрожжей. Смена ядерных фаз. Гетероталлизм. Винге (Дания), 1934 Цитология дрожжей (световая микроскопия). М.Н.Мейсель (СССР) Первые определители. В.И.Кудрявцев (СССР), Дж.Лоддер (Голландия)

Вторая половина XX в. Дальнейшая дифференциация и научная интеграция. «Стыки».

Жизненный цикл у базидиомицетовых дрожжей. И.Банно (Япония), 1969 Признание полифилетичности дрожжей, Дж.А. вон Аркс (Голландия) Электронная микроскопия и цитология. М.Н.Мейсель, В.И.Бирюзова (СССР) Создание международной организации ICY Формирование почвенной зимологии. И.П.Бабьева (СССР) Серия коллективных определителей. Голландия, Англия, США Молекулярная биология дрожжей, новые разделы биотехнологии


3. Дрожжевая клетка

Дрожжевая клетка имеет все основные структуры, которые присущи любой эукариотической клетке, но в то же время она обладает особенностями, свойственными грибам, а именно, сочетанием признаков как растительной, так и животной клеток: клеточная стенка у них ригидная, как у растений, но в клетке отсутствуют хлоропласты и накапливается гликоген, как у животных.

Такие структуры, как ядро с двойной мембраной, митохондрии, эндоплазматический ретикулум и его производные, обнаруживаются в клетках всех дрожжей во все периоды клеточного цикла. Но в целом очень существенные различия наблюдаются в ультраструктурной организации и поведении отдельных органелл в зависимости от возраста клетки, внешних условий, стадии онтогенеза. Следует также отметить, что большинство сведений по цитологии дрожжей получено при изучении клеток Saccharomyces cerevisiae и некоторых других видов аскомицетовых дрожжей. У других видов детали цитологического строения могут несколько отличаться.





Дрожжевая клетка под электронным микроскопом: цм – цитоплазматическая мембрана, кс – клеточная стенка, к – капсула, я – ядро, ям – ядерная мембрана, мх – митохондрии, л – включения липидов. Снимок получен методом ультратонких срезов.


Дрожжевая клетка под электронным микроскопом: цм – цитоплазматическая мембрана, кс – клеточная стенка, к – капсула, ям – ядерная мембрана, мх – митохондрии, л – включения липидов. Снимок получен методом ультратонких срезов.
4. Половое размножение и жизненные циклы дрожжей.

Половое размножение - это сложная цепь событий, включающая контакт двух гаплоидных клеток, их слияние (сначала слияние цитоплазмы - плазмогамия, а затем сразу же или со значительной задержкой слияние ядер - кариогамия), образование диплоидной зиготы, ядро которой затем либо делится мейотически с восстановлением гаплоидного состояния, либо дает начало диплоидному поколению клеток. Таким образом, половое размножение связано со сменой ядерных фаз. У дрожжей, как и у всех грибов, чередование ядерных фаз сопряжено с образованием половых гаплоидных спор - аскоспор или базидиоспор.
Весь ход событий в развитии организма от одной стадии до этой же стадии в следующем поколении составляет жизненный цикл, или онтогенез. Полный жизненный цикл включает вегетативную стадию, в течение которой клетки размножаются при помощи митотического деления, и половой цикл, включающий мейотическое деление ядра. У мицелиальных грибов вегетативное размножение занимает обычно одну из стадий жизненного цикла: у аскомицетов - преимущественно гаплоидную, у базидиомицетов - дикариотическую. У дрожжей вегетативное размножение может происходить в любой фазе жизненного цикла. На этом основании различают гаплоидные виды, у которых вегетативное размножение происходит в гаплоидной фазе, диплоидные виды, размножающиеся вегетативно в диплофазе, а также гапло-диплоидные, образующие стабильные как гапло-, так и диплофазы, или же смешанные популяции гаплоидных и диплоидных клеток.

У дрожжей встречаются различные типы полового процесса. У большинства видов в половом процессе у дрожжей участвуют обычные соматические, то есть неспециализированные клетки. Такой тип полового процесса называется соматогамией. Существуют разновидности соматогамии: гологамия - слияние (копуляция) двух морфологически сходных соматических клеток, педогамия - слияние материнской и дочерней клетки-почки, адельфогамия - слияние сестринских клеток-почек. У некоторых видов аскомицетовых дрожжеподобных грибов половой процесс представляет собой типичную для большинства аскомицетов гаметангиогамию - копуляцию специальных клеток мицелия - гаметангиев. Копулировать могут не любые две клетки, а лишь клетки, относящиеся к различным типам спаривания. Термин «тип спаривания» используется вместо термина «пол» в том случае, когда копулирующие клетки не имеют морфологических отличий, а различаются лишь физиологически. У одних дрожжей при вегетативном размножении происходит разделение клеток на различные типы спаривания (обозначаемые a и ?), и, следовательно, в потомстве одной клетки возможен половой процесс. Такие дрожжи называют гомоталличными. У других клетки не способны переключаться с одного типа спаривания на другой, и половой процесс в потомстве одной клетки невозможен. В этом случае дрожжи называют гетероталличными. Половой процесс у таких дрожжей происходит только при объединении клеток из популяций a и ? типов спаривания.


5. Применение дрожжей в биотехнологии.

Биотехнология - это отрасль, которая занимается получением необходимых человеку продуктов, веществ и процессов, используя микроорганизмы. Зарождение биотехнологии связано с производством вина и сыра в глубокой древности. Разумеется, тогда этот термин ещё не употреблялся. В наши дни уже не так просто понять, где границы применимости биотехнологии, потому что она комбинируется с другими областями науки и техники - молекулярной биологией, генетикой, генной инженерией, биохимией, химической технологией и т.д.

Биотехнология вошла в наш быт гораздо глубже, чем мы обычно себе представляем. Она применяется для нужд самых различных отраслей:

пищевая промышленность - производство лимонной кислоты, аминокислот и других пищевых добавок;

сельское хозяйство - средства защиты растений, модифицированные продукты;

медицина - антибиотики, интерферон, витамины, вакцины и другие препараты;

защита окружающей среды - вещества и процессы для устранения загрязнений;

энергетика - биогаз, этанол и другие источники энергии;

химическая промышленность - этилен, ацетон, бутанол и другие вещества.
И это далеко не все применения. Есть разработки, позволяющие размножать всё более сложные живые клетки. Биотехнология всё время развивается и никто не рискнёт прогнозировать возможности её развития. Темпы развития уже сейчас достигли такого уровня, что общество обязано его контролировать.
Биотехнологический процесс обычно состоит из трёх главных стадий:

подготовка питательной среды и культивируемого микроорганизма;

размножение микроорганизмов в биореакторах (также называемых ферменторами) или культивационных установках;

получение готового продукта из культивационной среды. Эта стадия включает в себя такие операции как выделение, очистка и другие, связанные с получением нужного товарного вида продукта.

В развитии биотехнологии можно выделить три этапа

Одно из древнейших свидетельств использования биотехнологических процессов это запись школьного упражнения на глиняной табличке – клинописи древних шумеров, приблизительно шесть тыс. лет до нашей эры. В упражнении на определенное количество провианта работникам среди прочего числились меры зерна и кувшины ячменного пива, которое невозможно приготовить без применения микроорганизмов, переводящих сахар в спирт.

В долине Инда (индостанский полуостров) археологи раскопали глиняные…змеевики, с помощью которых древние жители перегоняли спирт – продукт жизнедеятельности дрожжей.

В Древнем Китае, уже 3 тыс.лет назад в эпоху Западной империи Чжоу жители провинции Шанси умели готовить рисовое вино.

Издревле в Китае культивировался шелк. Все знают, что шелк - это нить получаемая при раскручивании кокона тутового шелкопряда. Паутина – это чистый белок, причем нить ее прочнее стали. Еще Аристотель писал об этом удивительном продукте биотехнологии загадочного Востока.

В то время люди не подозревали о существовании микроорганизмов и ферментов, хотя и использовали их в своей хозяйственной деятельности. Первыми «биотехнологами» были древни земледельцы, обнаружившие, что добавив дрожжи в тесто, можно выпекать пышный и мягкий хлеб, а виноградный сок подобным образом превращать в вино. Здесь человек использовал реакцию гликолиза - без кислородного расщепления углеводов на углекислый газ и этиловый спирт или молочную кислоту.

Второй этап – этап промышленной микробиологии. Начинается с середины 19 века работами, в первую очередь, великого франц. Химика и микробиолога Луи Пастера. Люди уже знали о дрожжах и бактериях, культивировали и отбирали их полезные штаммы. Но биотехнологические методы применялись лишь в пищевой промышленности (приготовление хлеба, сыра, кумыса, уксуса) реже в с\х (силосование, мочение льна).

Третий этап начинается с середины 70-х гг.20 века. Биотехнология приобретает свое теперешнее название.

4) Направления современной биотехнологии.

А. Генная инженерия

Б. Клеточная инженерия

В. Инженерная энзимология.
Рассмотрим применение дрожжей в современной биотехнологии.


Виноделие

Получение муста

Первый этап приготовления вина - раздавливание ягод винограда. При этом образуется муст - виноградный сок с мезгой (остатками кожицы и косточек). Если сбраживанию подвергается непосредственно муст, то получаются красные вина, так как красящие вещества содержатся в основном в кожице винограда. Для получения белых вин сбраживается виноградный сок, который предварительно отделяют от мезги. На многих винодельнях муст готовят традиционным способом, раздавливая виноград ногами. На современных винодельческих заводах используют специальные прессы.

Свежий муст всегда содержит дрожжи, присутствовавшие на ягодах винограда, и попавшие в него с оборудования в процессе прессования. Поэтому непосредственно после раздавливания начинается процесс брожения. При использовании чистых винных культур дрожжей такие дикие дрожжи обычно убивают сульфатированием муста.

Созревание вина

Молодое вино непосредственно после брожения обычно мутное от взвеси дрожжей, бактерий и твердых частиц. Для осветления вина используются естественное отстаивание и фильтрация. Осветление производится также добавлением и коагуляцией яичного белка, желатина, бентонита (тип глины) или других веществ. После этого следует этап созревания, или взросления вида. Красные вина, предназначенные для взросления, хранят от 1 до 2 лет в дубовых бочках. Взросление в деревянных бочках позволяет вину приобрести определенные ароматы. В зависимости от типа, вина проходят процесс взросления различной продолжительности. В конце этого периода их обычно фильтруют и разливают по бутылкам. Фильтрация предназначена для удаления всех оставшихся мелких частиц, дрожжей и бактерий. Она проводится с использованием специальных инертных элементов: диатомасового гравия, целлюлозы, специальных пластиковых мембран.
Производство шампанского
Производство игристых вин относится к так называемому вторичному виноделию, при котором происходит повторное сбраживание основного вина. Оно происходит при добавлении к вину сахара и дрожжей. Медленное второе брожение при низкой температуре приводит к насыщению вина углекислым газом, который придает ему особые игристые свойства. Второе сбраживание может проводится в бутылках (традиционный метод шампанизации) и в крупных резервуарах (современные методы). Разработаны также технологии непрерывной шампанизации, при которых вторичное сбраживание ведется иммобилизованными дрожжами, находящимися в колонке, через которую пропускается исходное вино. Дрожжи, используемые для шампанизации, представляют собой особые расы Saccharomyces cerevisiae, более устойчивые к спирту и способные осуществлять брожение в уже готовом вине.
При классической бутылочной шампанизации тиражную смесь (вино, сахарный сироп и дрожжи) разливают в бутылки, закупоривают и выдерживают при пониженной температуре на специальных пюпитрах, постепенно увеличивая наклон бутылки так, чтобы дрожжевой осадок собирался над пробкой. Этот процесс называется ремюажем. После этого проводят так называемый дегоржаж (сбрасывание дрожжевого осадка). Для этого горлышки бутылок помещают в соляной раствор с температурой -30°С. Бутылки откупоривают и льдинка замороженного осадка вылетает из бутылки. В бутылки доливают растворенный в вине сахар, причем количество сахара зависит от того, какое шампанское хотят получить – брют, сухое или полусухое. После этого бутылки снова укупоривают. Далее бутылки выдерживают в подвалах, где поддерживают температуру 10-12°С.
При резервуарном способе шампанизация происходит в специальных емкостях (акратофорах). Это позволяет провести те же процессы, но в ускоренном режиме и с большими масштабами и меньшей себестоимостью. После брожения шампанское в последних акратофорах охлаждается до температуры -5°С, фильтруется для отделения дрожжей и разливается в бутылки.

Пивоварение и квасоварение

Исходное сырье для приготовление пива включает четыре основных компонента: ячмень или другое зерно, вода, хмель и дрожжи.
Основные этапы приготовления пива включают:
1. Соложение зерна, то есть его проращивание, при котором в зерное образуются амилазы, осахаривающие крахмал. Измельченное и высушенное проращенное зерно представляет собой т.н. солод.
2. Варка сусла: измельченный солод соединяют с водой (т.н. затирание солода) и варят для получения солодового экстракта - пивного сусла. В конце варки обычно добавляют хмель, придающий пиву особый горьковатый привкус.
3. Полученное сусло сбраживают добавлением чистых культур дрожжей. При этом используются особые отселекционированные расы дрожжей, имеющие высокую бродильную активность, хорошо осаждающиеся (флоккулирующие) в конце брожения, придающие пиву соответствующий вкус и приятный аромат. Вкус пива во многим зависит от состава вторичных продуктов брожения, выделяемых данной расой дрожжей. После главного бурного брожения обычно осуществляют более медленное и длительное дображивание (созревание) пива, при котором протекают в основном те же процессы, что и при главном брожении, но более медленно. Выделяющийся в процессе дображивания CO2 растворяется и связывается в пиве.
4. После созревания осветляют с помощью фильтрования. При этом из пива удаляют находящиеся во взвешенном состоянии дрожжевые клетки, белковые и полифенольные вещества, хмелевые смолы, соли тяжелых металлов. После этого пиво направляют на розлив.
Квас производится по аналогичной схеме, однако помимо ячменного широко применяется ржаной солод. К нему добавляется мука и сахар, после чего смесь заливается водой и варится с образованием сусла. Важнейшим отличием квасоварения от производства пива является использование при сбраживании сусла помимо дрожжей молочнокислых бактерий.
Дрожжи - «сорняки» брожения в пивоварении и виноделии
Современные технологии пивоварения и виноделия основаны на использовании чистых, культурных рас дрожжей, которые добавляют в сусло перед началом брожения. Однако в процессе производства в пиве или вине, помимо культурных дрожжей, могут развиваться и другие виды дрожжей, ухудшающие качество продукта. Такие дрожжи называют «сорняками брожения».
Среди таких дрожжей можно выделить две группы. Первые обычны в природных местообитаниях и попадают в субстраты бродильных производства вместе с исходными материалами, из воздуха, заносятся насекомыми. К таким видам относятся, например, дрожжи рода Henseniaspora, характерное местообитание которых - сочные плоды, в том числе ягоды винограда. Во многих современных технологических процессах виноделия перед добавлением в муст чистых культур эти дрожжи сначала убивают сульфатированием, пропуская через виноградный сок двуокись серы.
Другую группу составляют виды, основным местообитанием которых, также, как и для культурных дрожжей, являются субстраты бродильных производств. В природных местообитаниях эти виды встречаются очень редко. К таким видам относятся представители рода Dekkera (анаморфа - Brettanomyces). Эти дрожжи часто сопутствуют сахаромицетам в процессах приготовления пива, однако при значительном развитии они вызывают порчу продукта, выделяя различные побочные продукты брожения и придавая ему нежелательные органолептические характеристики. В современных производствах налажены системы контроля за развитием таких нежелательных видов дрожжей. Очень перспективным для этого являются молекулярно-биологические методы, основанные на специфическом связывании олигонуклеотидных последовательностей с ДНК определенных видов, например метод FISH.
.

Современное производство пекарских дрожжей
Ранее в качестве пекарских дрожжей использовали дрожжевой осадок, получаемый при пивоварении. Сейчас выращивание дрожжей для хлебопечения представляет собой самостоятельное производство. Готовые пекарские дрожжи должны удовлетворять ряду требований.


1. Пекарские дрожжи должны активно бродить в тесте с образованием больших количеств углекислого газа. Хотя они должны функционировать в анаэробных условиях, производить их необходимо при хорошей аэрации, чтобы добиться большего выхода биомассы.
2. Пекарские дрожжи должны хорошо храниться. Хранение дрожжей осуществляется или в замороженном или в высушенном состоянии. Трудность состоит в том, что штаммы, проявляющие наибольшую активность при брожении, хуже хранятся и теряют свою активность при высушивании. Поэтому приходится выбирать компромиссные варианты. Для стабилизации пекарских дрожжей используются различные добавки, подбираются штаммы с большей стабильностью. В устойчивости дрожжевых клеток большую роль играет наличие в них определенных соединений, в частности трегалозы.
3. Поскольку пекарские дрожжи добавляют к муке в концентрации около 1% от веса муки, они составляют важный источник микробной биомассы в пище человека. Несмотря на то, что штаммы Saccharomyces cerevisiae не обладают каким-либо токсическим эффектом, они содержат относительно большое количество нуклеиновых кислот, что может вызвать повышение уровня мочевой кислоты в организме человека, приводящее к подагре. Снижение уровня нуклеиновых кислот - важное направление в селекции пищевых дрожжей.
4. Важное требование к пекарским дрожжам - отсутствие специфического привкуса в готовых продуктах.
Пекарские дрожжи выращивают в больших сосудах при интенсивном перемешивании и аэрации. В сосуды подается питательная среда, основой которой обычно служит меласса. Среда не добавляется полностью в начале ферментации, а подается порциями через короткие интервалы в течение всего процесса выращивания. Если добавить сразу много сахара, то дрожжи переключат свой метаболизм на брожение и выход дрожжей уменьшится (эффект Кребтри). По завершении роста дрожжи концентрируют центрифугированием и затем фильтруют. Образующийся осадок прессуют для получения прессованных дрожжей, которые нужно хранить в замороженном состоянии, или высушивают в специальных распылительных сушилках

Производство этанола
Этанол – это вещество универсального применения, широко используется в химической промышленности и в пищевых производствах. Кроме того, этанол - один из наиболее перспективных источников энергии. Производство этанола как топлива для двигателей внутреннего сгорания началось в Бразилии, во время нефтяного кризиса в 1970-х гг. В дальнейшем его производство началось во многих странах.
Использование спирта в качестве альтернативного топлива для автомобилей было предметом дискуссии с момента их изобретения. В настоящее время оно приобрело новую значимость в связи с исчерпанием запасов ископаемого топлива серьезными экологическими последствиями его сжигания. Во многих странах проводятся исследования для оценки преимуществ этанола в качестве присадки к топливу. Применяемый в настоящее время в качестве присадки к топливу метил-трет-бу-тиловый эфир является токсичным производным метанола и вызывает значительные загрязнения воздуха и грунтовых вод. Поэтому производители нефтепродуктов все шире заменяют его этил-трет-бутиловым эфиром, который синтезируется из этанола и совершенно безопасен для окружающей среды.
Основные технологические этапы производства этанола.

Производство спирта для напитков не менее важно, чем производство этанола в качестве топлива. Ключевым различием между этими двумя областями является выбор сырья для получения конечного продукта. От питьевого спирта требуется особая чистота и наличие экстрактивных веществ. В качестве сырья для любого спиртового брожения обычно используются продукты, содержащие свободные моно- и олигосахариды, крахмал или целлюлозу, такие как кукуруза, сорго, пшеница, ячмень, рожь, сахарная свекла, тростниковый сахар, меласса и ряд фруктов, например, виноград. Если содержащаяся в сахароносных растениях глюкоза сбраживается непосредственно, то крахмал зерновых продуктов, а тем более целлюлозу сначала требуется гидролизовать. Для этого используются либо химические (например кислотный гидролиз при высокой температуре), или ферментативные методы (например, соложение зерна). Для сбраживания используются особые расы или генно-инженерные штаммы Saccharomyces cerevisiae, наиболее устойчивые к спирту, и способные накапливать до 15-20% этанола в среде.
Независимо от конечного назначения спирта его производство включает следующие технологические этапы.

Исходное сырье размалывается и подвергается гидролизу.

Получившаяся смесь сахаров сбраживается дрожжами.

Брага поступает в перегонную колонну, где отгоняется спирт-сырец.

Спирт-сырец затем используется для получения чистого этанола путем ректификации.

Неподдающийся ферментации сухой остаток является побочным продуктом и может использоваться в качестве удобрения. Оставшаяся после перегонки барда (дрожжевой осадок) высушивается и используется как корм для животных.


Гидролизаты древесины
Древесина является возобновляемым сырьем и относится к перспективным источникам получения энергии, кормов и многих биологически-активных веществ. Во многих странах, обладающих большими запасами древесины, в том числе в России, развито гидролизное производство спирта, кормовых дрожжей и других полезных продуктов на основе отходов древесины. Гидролизные производства используют отходы лесопиления, фанерного, мебельного и других производств, отходы производства дубильных экстрактов (одубина), канифольно-экстракционных заводов, целлюлозно-бумажной промышленности.
Основными компонентами древесины являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы (ксиланы). Среди дрожжей нет видов, образующих активные целлюлолитические ферменты и способных к росту на нативной целлюлозе. Поэтому для выращивания дрожжей древесные полисахариды необходимо вначале гидролизовать. Для этого целлюлозосодержащее сырье подвергается гидролизу разбавленной до 0,5-0,6 %-ной серной кислотой в гидролизных аппаратах при температуре 175-190°С. Образующийся попутно при этом фурфурол выводится в виде фурфуролсодержащего конденсата. Оставшийся после гидролиза лигнин также удаляется из аппарата. Полученный гидролизат с содержанием сахара до 3-3,5 % подвергается нейтрализации известковым молоком или аммиачной водой. Полученный в результате известковой нейтрализации гипс вместе со всем шламом удаляется из раствора методом осаждения в отстойниках или сепарированием в вихревых очистителях (циклонах). После очистки от механических примесей нейтрализованный гидролизат охлаждается до 31-32°С и подается на спиртовое брожение в бродильное отделение гидролизного завода. Полученная в результате сбраживания гексозного сахара на спирт бражка направляется на перегонку и ректификацию.
Гидролизат древесины содержит как глюкозу, полученную в результате гидролиза целлюлозы, так и пентозы (в основном ксилозу), образовавшиеся при гидролизе ксилана. Если для сбраживания используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые не способны сбраживать пентозы, то оставшаяся после брожения и ректификации бражка, лишенная спирта (послеспиртовая барда), в основном содержит пентозный сахар и после охлаждения направляется на выращивание кормовых дрожжей.
Некоторые дрожжи, такие как Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis способны сбраживать пентозы, превращая их в гексозы по пентозофосфатному пути. Такие виды могут быть использованы в гидролизном производстве, существенно повышая выход спирта.
Производство кормовых дрожжей
Большинство кормов, используемых в животноводстве, не содержат в достаточном количестве белков и витаминов. Даже такие ценные корма, как кукуруза и сахарная свекла, дающие максимальное количество кормовых единиц с гектара, богаты углеводами, но не содержат достаточного количества азотистых веществ. Поэтому во всех странах отмечается большой дефицит кормового белка. Этот дефицит покрывается увеличением производства растительного протеина, содержащегося в сельскохозяйственных кормовых культурах: зерне, люцерне, выпуском рыбной и мясной муки, сухих молочных продуктов. Со второй половины XX в. в качестве кормовой добавки в животноводстве стали широко применяться кормовые дрожжи. Они существенно повышают биологическую ценность кормов, прежде всего за счет содержащихся в них незаменимых аминокислот и витаминов.
В нашей стране производство кормовых дрожжей было начато в середине 1930-х гг. Отходы сельскохозяйственных производств, такие как солома, кукурузные кочерыжки, опилки, подвергали гидролизу серной кислотой, гидролизаты нейтрализовали и использовали для выращивания Saccharomyces cerevisiae. Однако транспорт сырья на такие заводы оказался дорогостоящим и поэтому они обладали малой мощностью и имели лишь местное значение.
В 1973 г. в СССР был пущен первый в мире завод кормовых дрожжей мощностью 70000 т в год. В качестве сырья на нем использовали выделенные из нефти н-алканы, а в качестве продуцентов белка - дрожжи Candida guilliermondii, Candida tropicalis и др.. В последующие десятилетия производство кормовых дрожжей из н-алканов быстро росло и сопровождалось многочисленными исследованиями в этой области.
В качестве других источников для получения кормового дрожжевого белка могут использоваться метанол, отходы молочной промышленности (молочная сыворотка).
В 1990-е гг. индустрия кормовых дрожжей в нашей стране была практически полностью разрушена, а интерес к крупномасштабному получению кормовых дрожжей во всем мире существенно упал из-за недостаточной рентабельности таких производств. В настоящее время получение кормовых дрожжей ограничено мелкими местными производствами в различных хозяйствах.
Производство витаминов из дрожжей


В настоящее время чистые препараты витаминов получают главным образом синтетически, в некоторых случаях отдельные стадии их образования выполняются методами микробиологического синтеза. Распространенное ранее производство концентратов витаминов из продуктов растительного или животного происхождения сейчас почти полностью потеряло свое значение.
В то же время, некоторые витамины получают с помощью экстракции и очистки культуральной жидкости или биомассы микроорганизмов. Наряду с использованием непосредственно дрожжевой биомассы как источника витаминов в виде дрожжевых гидролизатов и пивных дрожжей, некоторые дрожжи используются для микробиологического производства чистых витаминов.
Витамин D2, кальциферол


Использование дрожжей для производства чистых витаминов началось в 1930-х годах с получения витамина D. С использованием специальных рас Saccharomyces cerevisiae получают эргостерол, который после облучения ультрафиолетом модифицируется в витамин D2 (кальциферол).
Существуют штаммы сахаромицетов, обладающие способностью к гиперсинтезу витамина B2 (рибофлавина), которые могут быть использованы для получения этого витамина.
Из базидиомицетовых дрожжей, обладающих способностью к интенсивному синтезу каротиноидов, получают препараты ?-каротина, являющегося предшественником витамина A, и астаксантина.

Производство органических кислот с помощью дрожжей


Лимонная кислота - один из основных продуктов микробиологической промышленности - может производится с помошью дрожжей.

Производство органических кислот - важная отрасль микробиологической промышленности. В наибольших количествах производится лимонная кислота. Объемы ее мирового производства превышают 800 тыс. тонн в год. Около 70% кислоты используется в пищевой промышленности и производстве напитков, 18% в виде цитрата натрия - для изготовления экологически чистых синтетических моющих средств. Цитрат натрия производится из наработанной лимонной кислоты в результате ее растворения, солификации и последующего выделения. В последние годы резко возросла потребность в цитрате натрия в связи с устойчивой мировой тенденцией замены в синтетических моющих средствах активной добавки - триполифосфата натрия, попадание которого в водоемы приводит к их эвтрофикации.
Традиционное производство лимонной кислоты основано на использовании в качестве сырья мелассы и в качестве продуцента условно патогенных грибов Aspergillus niger. Более прогрессивной считается технология, основанная на использовании в качестве продуцентов специально отселекционированных штаммов дрожжей, и в качестве сырья - технического спирта или отходов спиртовых заводов. Существуют технологии получения с помощью дрожжей и других промышленно важных органических кислот - фумаровой, изолимонной, яблочной.
Молочная сыворотка
При приготовлении сыра после свертывания молока образуется молочная сыворотка - основной отход сыроваренного производства - побочный продукт в молочной промышленности. В большинстве сыроваренных производств сыворотка сливается, представляя большую проблему как загрязнитель почв. В то же время, она представляет собой достаточно богатую питательную среду, на которой могут развиваться многие микроорганизмы, в том числе некоторые виды дрожжей, способные усваивать лактозу - основной компонент сыворотки.
Состав сухой молочной сыворотки


Органические вещества, %

Лактоза

60 - 80

Галактоза

0.8 - 1.4

Белок

0.8 - 1.4

Лактаты

3,5 - 14

Минеральные компоненты, г/кг

Кальций

4 - 14

Магний

0.8 - 2.3

Натрий

2 - 27

 

 

Калий

2 - 50

Фосфор

3 - 12



Способность к ассимиляции лактозы имеется примерно у 20% всех известных видов дрожжей. Гораздо реже встречаются дрожжи, сбраживающие лактозу. Активный катаболизм лактозы особенно характерен для дрожжей из рода Kluyveromyces. Эти дрожжи можно использовать для получения на молочной сыворотке кормового белка, этанола, препаратов ?-глюкозидазы.
Кефир
Кефир - разновидность молочнокислых продуктов, для приготовления которого используется закваска, содержащая дрожжи. Технология производства кефира состоит из следующих операций. Охлажденное до температуры 20-25°С, пастеризованное молоко заливают в резервуар-заквасочник и вносят предварительно приготовленную закваску - так называемый кефирный грибок, содержащий молочнокислые бактерии и дрожжи, относящиеся к виду Candida kefir (телеоморфа - Kluyveromyces lactis). После тщательного перемешивания содержимое резервуара оставляют в покое, обеспечивая постоянную температуру. Молоко сквашивается в течение 10-12 часов при температуре около 20°С. Затем температуру понижают до 12-16°С и продукт оставляют в покое на 4-6 часов для созревания и развития дрожжей. Затем содержимое резервуара снова охлаждают до температуры 8-10°С на 12-24 часов для завершения созревания. При этом происходит накопление спирта и углекислоты в результате развития дрожжей, и готовый продукт приобретает специфические вкус и запах.
Дрожжи в сыроварении
Для производства некоторых сыров применяются определенные штаммы грибов, которые развиваются в сыре в процессе его созревания и придают ему особый вкус. К числу наиболее известных относится сыр Рокфор, для получения которого сыр заражают специальными штаммами грибов рода Penicillium. Для получения некоторых сортов сыра используются также дрожжевые грибы. К ним относится сорта Камамбер, Бри, Марселлин, Реблохон и др., на поверхности которых имеется характерная пленка, в составе которой преобладают дрожжеподобные грибы Geotrichum candidum. Эти дрожжи долгое время рассматривались сыроделами как сорняки производства, быстро разрастающиеся на поверхности сыра при его хранении и ухудшающие его товарный вид. Однако после получения определенных рас этих дрожжей их стали использовать для производства особых пикантных сортов сыра. Перед созреванием такие сыры обрабатывают культурами Geotrichum candidum, которые покрывают поверхность сыра в виде белого налета и придают ему характерные вкус и цвет.

«Чайный гриб»
Так называемый «чайный гриб» используется для приготовления легкого, освежающего напитка. В России чайный гриб появился в начале прошлого века. Он представляет собой специфическую бактериально-дрожжевую ассоциацию имеющую вид слоистой медузо-подобной колонии. Верхняя часть колонии блестящая, плотная, а нижняя имеет вид многочисленных свисающих нитей и выполняет роль ростовой зоны. Микроорганизмы, слагающие колонию, представлены в основном дрожжами из родов Hanseniaspora, Saccharomyces, Debaryomyces, и уксуснокислыми бактериями. Для получения напитка «чайный гриб» заливают раствором сахара, в который обычно добавляют заварку чая, играющую роль вкусовой добавки. В свежем напитке дрожжи вначале сбраживают сахар и затем бактерии окисляют образовавшийся спирт до уксусной кислоты. В результате из сладкого чая образуется специфический кисло-сладкий напиток, содержащий помимо основных компонентов - спирта и уксусной кислоты - немного остаточного сахара, углекислоту, танины чая другие ароматические и органические вещества.


Литература

1. Промышленная микробиология / Под общей редакцией проф. Н. С. Егорова. — М.: Высшая школа, 1989. — С. 414 — 438.
2.Журнал «Знак вопроса» №12 1990.

3. Бабьева И. П., Чернов И. Ю. Биология дрожжей. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2004.—С.215-227.


4. Берри Д. Биология дрожжей. М.: Мир, 1985
5. Квасников Е.И., Щелокова И.Ф. Дрожжи. Биология. Пути использования. Киев: Наукова Думка, 1991

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации