Что такое почкование дрожжей и когда оно происходит
Научная электронная библиотека
Глущенко Л. Ф., Глущенко Н. А.,
1.1.2. Особенности размножения и роста дрожжей
После отделения дочерней клетки на материнской клетке остается почечный рубец. По числу рубцов (от 4 до 6) можно узнать возраст клетки [13]. Графическое изображение почкующейся клетки представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 — Графическое изображение среза почкующейся дрожжевой клетки
При недостатке питательных веществ или при других неблагоприятных условиях дрожжи размножаются половым путем. Клеточный метаболизм при этом резко замедляется, обеспечивая выживаемость культуры в неблагоприятных условиях.
В среде с хорошими условиями питания споры прорастают и образуют клоны гаплоидных клеток. Гаплоидные клетки противоположных типов спаривания могут сливаться (копулировать), образуя зиготу с диплоидным ядром. Зигота начинает почковаться, образуя первую диплоидную почку, а затем образуется диплоидное поколение почкующихся клеток.
Дрожжи, имеющие устойчивые гаплоидную и диплоидную фазы, относят к гетероталличным [19].
Пивное сусло содержит все необходимые вещества для размножения клеток, поэтому при сбраживании сусла дрожжи размножаются только почкованием, не образуя спор [9].
Дрожжевые клетки, внесенные в сусло и находящиеся в фазе покоя, обладают способностью сбраживания, если они прошли все фазы клеточного цикла, т. е. завершили клеточное деление. Время, в течение которого все клетки прошли эти фазы, считается скоростью сбраживания [25].
На длительность и интенсивность отдельных фаз роста существенно влияют физиологическое состояние дрожжей; субстрат, содержащий все необходимые для роста питательные вещества; состав воды; рН; температура; концентрация кислорода в субстрате [10, 13, 26].
ГЛАВА 5. ГРИБЫ
5.6. РАЗМНОЖЕНИЕ ДРОЖЖЕЙ
Дрожжи могут размножаться вегетативным или половым путем. К вегетативным относятся почкование и деление, половой способ предусматривает образование спор.
Дрожжи семейства Saccharomycetaceae размножаются почкованием, семейства Schizosaccharomycetaceae — делением, а дрожжи семейства Saccharomycodaceae размножаются почкованием, завершающимся делением.
Различают следующие способы вегетативного размножения дрожжей:
✵ мультилатеральное почкование (как у Saccharomyces) — почка образуется на различных участках поверхности дрожжевой клетки;
✵ биполярное почкование (как у Hanseniaspora) — почкование происходит последовательно от каждого полюса клетки поочередно;
✵ бинарное деление (как у Schizosacch) — материнская клетка удлиняется, ядро делится, новые ядра перемещаются к полюсам клетки, эти две почки разделяются перегородкой, с последующим формированием стенок и разделением их на две самостоятельные клетки (рис. 17).
Рис. 17. Вегетативное размножение дрожжей (Ф. Прист, И. Кэпбелл, 2005):
а — мультилатеральное почкование; б — биполярное почкование; в — бинарное деление
Почкование — время, за которое клетка образует себе подобную, называется клеточным циклом. Он включает в себя четыре основные стадии, длительность которых примерно одинакова.
G1 — предсинтетическая фаза. Она начинается с синтеза ферментов, необходимых для синтеза почки и дубликации ДНК. Образованию почки предшествуют сложные внутриклеточные процессы: гидролиз полисахаридов клеточной стенки и ее размягчение, активация фермента хитинсинтетазы и биосинтез хитина, который входит в состав почечной перегородки. Фаза заканчивается наклевыванием почки.
S — интерфаза (синтетическая фаза). Там, где почка соединена с клеткой, постепенно образуется сужение — перетяжка. По достижении размера почки примерно 1/3 размера материнской клетки ядро перемещается в перетяжку.
G2 — постсинтетическая фаза. В течение этой фазы происходит дальнейшее увеличение размера почки. Идет распределение ядерного материала между материнской и дочерней клетками.
М — митоз. Ядро делится; одно из ядер остается в материнской клетке, другое переходит в почку.
(С) — цитокинез (деление клетки). Перетяжка постепенно сужается, заканчивается образование хитинового слоя, и примерно через 2 ч молодая дочерняя клетка отделяется от материнской. Отделение дочерней клетки происходит лишь тогда, когда разделяются слои перегородки, оставляя на материнской клетке почковый рубец.
В процессе размножения на дрожжевой клетке появляется до 25—30 почковых рубцов. Дочерние клетки не всегда отделяются от материнских, они также размножаются почкованием, и в результате образуются скопления из многих клеток.
Деление дрожжевой клетки происходит аналогично делению бактерий — после деления ядра появляется поперечная перегородка, что приводит к образованию двух дочерних клеток, идентичных материнской.
Половое размножение. Дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae обладают хорошо охарактеризованным жизненным циклом, в гаплоидной и диплоидной фазах которого клетки могут размножаться почкованием (рис. 18). Гаплоидные дрожжи сахаромицеты бывают двух типов спаривания: а- и α. Клетки разных типов спаривания умеют находить друг друга и образовывать а-, α-диплоиды, способные претерпевать мейоз с образованием 4 гаплоидных аскоспор. У некоторых гомоталлических штаммов происходит эффективное переключение типов спаривания: дрожжи а-типа способны превращаться в дрожжи α-типа, и наоборот. Такое переключение связано со специализированной системой гомологичной рекомбинации. Штаммы дрожжей, у которых гаплоидная фаза стабильна и может поддерживаться в течение длительных генераций, получили название гетероталлических.
Рис. 18. Жизненный цикл развития дрожжей сахаромицетов (Ф. Прист, И. Кэпбелл, 2005)
Вегетативные клетки противоположных типов спаривания (а и α) сливаются, в них происходят последовательные процессы плазмогамии (слияние цитоплазм двух клеток) и кариогамии (слияние ядер). В результате образуется зигота — диплоидная клетка с двойным набором хромосом. В благоприятных условиях диплоидные клетки стабильны и могут неограниченное время размножаться почкованием. Они крупнее и активнее гаплоидных.
В случае голодания или других неблагоприятных условий клетка приступает к спорообразованию.
Диплоидное ядро делится путем мейоза на 4—8 частей, после чего формируются аскоспоры. Процесс образования и созревания аскоспор длится 15—48 ч. Клеточная стенка дрожжей изменяется, и клетка превращается в аск (сумку). Обычно в аске содержатся четыре аскоспоры, однако встречаются также аски с двумя и тремя спорами. Споры дрожжей имеют более толстую и прочную оболочку, чем вегетативные клетки. Они довольно устойчивы к неблагоприятным внешним факторам (температуре, высушиванию, pH и др.), но менее термостабильны по сравнению с бактериальными спорами и погибают при температуре 80 °С.
В благоприятных условиях аскоспоры прорастают в гаплоидные клетки, которые далее размножаются почкованием. Быстрое прорастание аскоспор наблюдается только в среде, содержащей легкодоступные источники углерода, такие как глюкоза или фруктоза.
У культурных дрожжей, развитие которых происходит на богатых углеводами средах, способность к спорообразованию значительно ослаблена или полностью утрачена. Восстановить способность дрожжей образовывать споры можно принудительным путем, культивируя их на обедненных питательными веществами средах.
Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.
Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.
Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.
© 2018-2021 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.
Что такое почкование дрожжей и когда оно происходит
§ 1. Дрожжи
В основе одной из главных стадий виноделия (брожение виноградного сусла) лежит процесс спиртового брожения, осуществляемый живыми клетками дрожжей. В процессе брожения сахар, содержащийся в соке, сбраживается дрожжами, в результате чего образуется спирт и углекислый газ.
Спиртовое брожение было известно человечеству с древности и на протяжении тысячелетий применялось для получения алкогольных напитков. Однако сущность этого процесса стала известна сравнительно недавно. Только в XV-XVI вв. появляются работы, в которых затрагиваются вопросы о связи между осадком, образующимся во время брожения, и продуктом, получающимся в результате брожения. Но так как осадок нельзя было рассмотреть простым глазом, то невозможно было и объяснить состав и сущность осадков в бродящих жидкостях. Только изобретение микроскопа голландцем Антонием Левенгуком в конце XVIII в. позволило проникнуть в новый, неизвестный человеку мир.
В 1866 г. Пастер в работе «Исследование вина» доказал, что вина портятся в результате процессов, вызываемых микроорганизмами. Для борьбы с «болезнями» вин он предложил прогревать их до 55-60°С после того, как вино разлито в бутылки. Этот прием получил название «пастеризация».
В конце 70-х гг. прошлого столетия Ганзен разработал метод выделения чистых культур дрожжей из одной клетки. С такими культурами он вел исследования по систематике грибов, изучил их виды, расы, изменчивые формы.
Однако еще довольно долго считали, что дрожжи не самостоятельная группа организмов, а лишь форма развития грибов на определенной стадии. Только к концу XIX в. было признано, что дрожжи представляют собой самостоятельную группу организмов, хотя они и родственны грибам. Ввиду их способности сбраживать сахара они получили ботаническое название сахарных грибов (сахаромицес).
Дрожжевые организмы в настоящее время, подразделяются на две большие группы: настоящие, истинные дрожжи (спорообразующие) и дрожжеподобные организмы (не образующие спор). Те и другие организмы широко распространены в природе. Они встречаются в почве виноградников, на зеленых и опавших листьях, в почках и соцветиях виноградной лозы.
В районах предприятий бродильной промышленности и, в частности винодельческих заводов, территория, помещения и аппаратура содержат массу дрожжей. Здесь дрожжи сохраняются живыми в течение всего года и служат пищей для личинок и взрослой уксусной мушки, муравьев, пчел, ос и других насекомых, посещающих плоды, поэтому дрожжи почти всегда можно найти на винограде, яблоках, грушах. В период дробления и прессования винограда дрожжи попадают в сок и быстро в нем размножаются.
Качество изготовляемого вина зависит от качества перерабатываемого винограда и технологии виноделия. Оба эти показателя тесно связаны с микроорганизмами, которые находятся на поверхности винограда и, попав в сусло, продолжают развиваться. Причем преобладающее большинство составляют сорняки брожения (дикие дрожжи, бактерии и плесневые грибы); истинных винных дрожжей, которые ведут главный процесс брожения виноградного сусла, гораздо меньше.
Таким образом, спонтанное (самопроизвольное) брожение виноградного сусла, протекающее в результате случайного сочетания различных дрожжей, не может обеспечить получение вина высокого качества. Поэтому для получения полностью выброженных здоровых виноматериалов необходимо соблюдать рациональный режим брожения в первичном виноделии, основанном на использовании чистых культур отселекционированных дрожжей, а также принимать меры для защиты вин от вторичной инфекции при их обработке и выдержке.
Формы, размер и строение клеток дрожжей
Клетки дрожжей состоят из оболочки, цитоплазмы (протоплазмы) и ядра (рис. 1). В протоплазме с ее органоидами (вакуолями, хондриосомами, микросомами) и включениями (волютином, жиром, гликогеном и другими запасными питательными веществами) протекают важнейшие ферментативные процессы.
Протоплазматическое вещество каждой дрожжевой клетки окружено прозрачной проницаемой оболочкой, которая в основном и определяет форму клетки. Через оболочку в клетку проникают питательные вещества. У молодых клеток оболочка очень тонкая, но с возрастом она утолщается.
Видимая зернистость определяется появлением жировых липоидных и других гранулярных образований.
Ядро играет важную роль в размножении клеток. При микроскопировании его не видно, и обнаруживается оно, лишь в результате специальной окраски.
Размножение клеток
Дрожжи размножаются почкованием или делением (вегетативное размножение), а также путем образования аскоспор (половое размножение).
Рис. 2. Сахаромицес вини (по В. И. Кудрявцеву)
Дрожжи могут размножаться и путем поперечного деления. Материнская клетка растет, удлиняется, посредине нее возникает перегородка, которая делит клетку на две равные дочерние. Так размножаются делящиеся дрожжи семейства Шизосахаромицетацеа (рис. 3).
Рис. 3. Шизосахаромицес Помбе (по В. И. Кудрявцеву)
Почкованием и делением размножаются дрожжи семейства Сахаромикодацеа. Образующийся вначале на материнской клетке почковидный вырост с широким основанием отделяется потом поперечной перегородкой (рис. 4).
Рис. 4. Сахаромикодес Людвигии (по В. И. Кудрявцеву)
Стадии развития дрожжей
Размножение характеризуется наличием большого количества почкующихся клеток с однородной плазмой и тонкой оболочкой (рис. 5, а).
Во время брожения дрожжи в основном находятся в виде отдельных клеток. Клетки имеют зернистую протоплазму, мелкие вакуоли и большой запас питательных веществ; при обильном углеводном питании они накапливают гликоген.
Голодание клеток наступает после сбраживания всего сахара в сусле. Клетки становятся сравнительно мельче, и протоплазма приобретает зернистый вид.
Покоящиеся клетки (рис. 5, г) наблюдаются при долгом пребывании дрожжей в осадке вина с доступом кислорода воздуха. В этих условиях клетки остаются жизнеспособными главным образом за счет органических кислот.
Стадия спорообразования наступает у молодых, хорошо питавшихся клеток при свободном доступе воздуха и при недостатке питания (рис. 5, д). Споры многих видов дрожжей имеют характерную для них формуй размер. Споры могут сохраняться продолжительное время, а попадая в благоприятные условия, прорастают, дают начало вегетативным клеткам.
Обмен веществ
Для построения компонентов протоплазмы, обеспечивающих рост и размножение организма, необходимы затраты энергии и различных веществ. Расход этих веществ пополняется за счет элементов питания, которые поступают из окружающей среды. Поглощенные клеткой питательные вещества идут по двум основным направлениям: часть их ассимилируется и перерабатывается в компоненты протоплазмы, другая часть разлагается и окисляется, освобождая нужную для жизни энергию.
Необходимую для жизни энергию дрожжи получают в процессе дыхания или в процессе спиртового брожения. В присутствии кислорода воздуха дрожжи получают энергию за счет дыхания, окисляя энергетический материал до углекислого газа и воды. При этом они выделяют наибольшее количество энергии:
В анаэробных условиях (без доступа воздуха) или при ограниченном доступе кислорода воздуха дрожжи получают энергию при расщеплении углеводов на спирт и углекислый газ, т. е. в процессе спиртового брожения:
Спиртовое брожение
Алкогольным, или спиртовым, брожением называется процесс разложения микроорганизмами Сахаров на спирт и углекислый газ. Этот процесс используется при производстве спирта, глицерина, вина, пива, шампанского и других продуктов. Главными возбудителями спиртового брожения являются дрожжи рода Сахаромицес. Наибольшее практическое значение в виноделии имеют дрожжи вида Сахаромицес вини.
Приведенное выше уравнение спиртового брожения Гей-Люссака (2) указывает только на начальные и конечные продукты.
В действительности же превращение сахара в спирт и углекислый газ является сложным ферментативным процессом, состоящим из многих промежуточных реакций. Наряду со спиртом и углекислым газом из сахара образуются небольшие количества так называемых вторичных продуктов брожения: глицерина, органических кислот, сложных эфиров, альдегидов, высших спиртов и др. Для виноделия образование вторичных продуктов при брожении имеет громадное значение. Букет вина, качественные особенности его во многом зависят от соотношения вторичных продуктов, образование которых различно для каждого вида дрожжей. Букет вина также зависит от побочных продуктов брожения, которые образуются не из сахара, а из других веществ, находящихся в сбраживаемых субстратах, главным образом из аминокислот в результате их потребления дрожжами в ходе брожения и размножения.
Взаимодействие дрожжей с окружающей средой
При температуре свыше 30°С процессы размножения и брожения ускоряются, однако дрожжи быстро отмирают. Если брожение началось при благоприятной температуре, то дальнейшее понижение ее до 11-12°С почти не сказывается на бродильной способности дрожжей.
В период размножения (почкования) для дрожжей необходим кислород воздуха.
Давление дрожжи переносят хорошо. Бродильная способность дрожжей задерживается лишь при давлении свыше 1 ати, вызванном углекислым газом, образовавшимся при брожении.
Сахара в сусле в количестве 18-20% легко сбраживаются винными дрожжами. Дрожжи способны сбродить 25% Сахаров, более высокая концентрация замедляет брожение. В концентрированных сахарных растворах (выше 60%) дрожжи гибнут из-за потери воды. Зигосахаромицеты способны развиваться в субстратах с высоким осмотическим давлением, обусловленным содержанием Сахаров до 80% и выше.
Однако следует отметить, что основное количество введенного в вино и сусло сернистого ангидрида находится в связанном состоянии (в соединении с сахарами, уксусным альдегидом, красящими веществами), а антисептическим действием обладает только свободная сернистая кислота (20-30% от введенного количества). Сусло из разных сортов винограда по-разному связывает сернистую кислоту.
Брожение сильно засульфитированных сусел следует вести на дрожжах, приученных к высоким дозам SO2.
Настоящие винные дрожжи
Представители дрожжей, которые имеют положительное или отрицательное значение в технологии виноделия, подразделяются на 2 группы: 1) настоящие винные дрожжи, 2) сорняки брожения (дикие дрожжи).
К настоящим винным дрожжам относятся дрожжи видов Сахаромицес вини и Сахаромицес овиформис.
Сахаромицес вини. Основным местообитанием этих дрожжей являются соки ягод и сочных плодов, идущих для приготовления вина. Форма и размеры клеток зависят от условий развития и питательной среды. В большинстве случаев дрожжи этого вида имеют овальную или эллиптическую форму клеток, иногда округлую (см. рис. 2). Они обладают способностью глубоко сбраживать сахара виноградного сусла с образованием больших количеств спирта (до 16% об.) и очень малых количеств летучих кислот (до 1 г/л). При брожении эти дрожжи не образуют плохо пахнущих летучих эфиров и придают вину тонкий букет и хороший вкус.
Сахаромицес овиформис. Чистая культура этих дрожжей хорошо развивается в вине, при брожении виноградного сусла может образовать около 18% об. спирта. При совместном развитии в плодово-ягодных соках дрожжи описываемого вида вытесняются более распространенными и более сильными дрожжами Сахаромицес вини. И наоборот, при забраживании спиртованных вин всегда выделяются дрожжи вида Сахаромицес овиформис. Следовательно, последние более приспособлены к обитанию в вине.
Рост пленки чаще всего начинается с образования отдельных небольших островков, которые, соединяясь друг с другом, образуют сплошную, тонкую, творожистого вида пленку. С возрастом цвет пленки меняется от белого, розовато-палевого до серого, темно-серого. В старых культурах или при неблагоприятных условиях пленка темнеет и постепенно опадает.
Оптимальной температурой развития хересной пленки является 18-20°С. В присутствии 16-17% об. спирта эти дрожжи хорошо развиваются на поверхности виноградного вина, окисляют спирт в альдегид. Последний наряду с ацеталями, образующимися при взаимодействии спирта с альдегидами, придает специфический букет хересу.
Дикие дрожжи (сорняки брожения)
Ганзениаспора апикулята. Эти дрожжи хорошо известны под названием апикулятус. Они небольшого размера, клетки заострены на одном или на обоих концах, их форма напоминает лимон. В зрелых культурах встречаются овальные и удлиненные клетки (рис. 6).
Рис. 6. Ганзениаспора апикулята (по В. И. Кудрявцеву)
Попав в сусло, апикулятусы размножаются в нем гораздо быстрее винных дрожжей, выделяют горькие вещества, много летучих кислот и эфиров. После накопления в бродящем сусле 3-6% об. спирта апикулятусы отмирают, уступая место более спиртовыносливым дрожжам. Продукты их жизнедеятельности тормозят брожение, ослабляя бродильную способность винных дрожжей.
Они являются причиной недобродов, портят аромат и вкус вина.
Шизосахаромицес. Это делящиеся дрожжи (см. рис. 3). Отдельные виды этого рода широко используются в винокуренной промышленности Аргентины и Мексики, что объясняется их способностью развиваться при повышенной температуре и давать при этом большой выход спирта.
Делящиеся дрожжи, развивающиеся в плодово-ягодных соках (особенно яблочных), вызывают катастрофическое снижение кислотности. Яблочная кислота расщепляется до углекислоты и воды, в результате чего соки и вина портятся.
Сахаромикодес Людвигии. Клетки дрожжей крупных размеров овальной, лимоновидной, подошвообразной формы (см. рис. 4). Образуют до 12% об. спирта и очень сульфитостойки, поэтому сохраняют свою активность в течение всего процесса брожения сусла. Эти дрожжи выделяют вещества, приостанавливающие размножение и угнетающие бродильную способность винных дрожжей, а также портят вино, придавая ему неприятный привкус.
Пленчатые дрожжи. К группе пленчатых дрожжей относятся дрожжи родов Ганзенула, Пихия, Зигопихия, Дебариомицес, Бреттаномицес, Кандида микодерма и другие, известные в виноделии под общим названием микодермы. Они размножаются почкованием и разрастаются на поверхности вина в виде тонкой, а затем толстой морщинистой пленки. Клетки непрочно соединены между собой, поэтому при встряхивании жидкости пленка опадает. Пленчатые дрожжи энергично окисляют спирт, кислоты, глюкозу и другие вещества вина до углекислоты и воды. Рост этих дрожжей прекращается только при 12% об. спирта. Некоторые из них могут жить и в глубине сусла или вина, сбраживая сахара с образованием летучих кислот и уксусноэтилового эфира, оказывающих неблагоприятное влияние на вкус вина.
Брожение на чистых культурах дрожжей
Спонтанное (самопроизвольное) брожение возникает в тех случаях, когда сусло оставляют для брожения, не добавляя в него чистых культур дрожжей. В сусле начинают беспорядочно размножаться попавшие в него с ягод микроорганизмы, состав и количество которых могут быть разнообразными. Сначала преобладают наиболее быстро размножающиеся, но менее спиртостойкие дрожжи-сорняки (апикулятусы и пленчатые). По мере накопления в сусле спирта все они постепенно отмирают, уступая место более спиртоустойчивым винным дрожжам.
Вина, сброженные на диких дрожжах или при большом их участии, плохо осветляются, часто содержат недоброженный сахар, легче заболевают и имеют плохие вкусовые качества.
Чтобы не допустить развития посторонней микрофлоры в виноградном сусле, в практику виноделия введены сульфитация сусла и его отстаивание. После отстаивания сульфитированного сока вместе с осадком удаляются и винные дрожжи. Поэтому для ведения брожения в сусло вводят разводку чистой культуры винных дрожжей с заранее известными, ценными для производства свойствами. Количество разводки должно достигать 2% и больше от объема всего сусла, подлежащего сбраживанию, т. е. 2 дкл на каждые 100 дкл сусла. Если сусло приготовлено из загрязненного, поврежденного или больного винограда, количество вносимой дрожжевой разводки должно быть увеличено до 4-5%.
Вина, готовящиеся на чистых культурах дрожжей, обычно равномерно бродят, полнее выбраживают, быстро осветляются, имеют хороший вкус и аромат и устойчивы против заболеваний. Количество спирта, образуемого в вине, увеличивается на 0,5-1,0%.
* ( Всесоюзный научно-исследовательский институт виноделия и виноградарства «Магарач».)
В настоящее время для приготовления различных типов вин рекомендуются следующие расы дрожжей:
для приготовления шампанских и белых столовых виноматериалов: Феодосия 1-19 (спиртовыносливая, сульфитостойкая), Пино 14 (спиртовыносливая), Ленинградская (спиртовыносливая, холодовыносливая), Ужгород 67 (спирто- и сульфитоустойчивая), Серсиаль 14, Кахури 7, Ашхабад 3 (термовыносливая);
для крепких и десертных виноматериалов: Массандра III (хлопьевидная, спиртовыносливая), Судак VI-5 (хлопьевидная, кислото- и спиртовыносливая);
для красных столовых виноматериалов: Каберне 5, Бордо, Саперави 46;
для приготовления столовых полусладких вин: Новоцимлянская 3 (склонна к недобродам, бродит без образования пены);
для вин типа херес: Херес 20-С, Херес 96;
для производства шампанского бутылочным методом: Судак VI-5, Кахури 7, Кахури 2;
для резервуарной шампанизации: Ленинградская, Ркацители 6.