Медицинская консультация

Последний номер журнала

Жизнь «на дрожжах»

Жизнь «на дрожжах»

Один ученый-микробиолог как-то заметил: рассуждая о том, каких представителей флоры и фауны наши предки первыми поставили себе на службу, одомашнили и окультурили, историки часто забывают о Saccharomyces cerevisiae, или пекарских дрожжах. На протяжении тысячелетий люди использовали свойства этих микроскопических организмов, не догадываясь об их существовании. Впрочем, это не умаляет того влияния, которое дрожжи оказали на историю развития цивилизации. Достаточно того, что именно им мы обязаны получением хлеба и вина - продуктов, имеющих для большинства народов не только пищевое, но и культурно-символическое значение

Никто не может с уверенностью сказать, когда и где человек впервые использовал способность дрожжей вызывать брожение сахаристых субстратов, однако известно, что 8 тысяч лет назад жители Древнего Египта уже умели варить так называемую бузу, представляющую собой разновидность пива и приготовляемую путем сбраживания ячменного солода. А не менее 3 тысяч лет назад египтяне освоили секрет заквашивания теста. С берегов Нила технология пивоварения и печения дрожжевого хлеба распространилась по всему Средиземноморью, ставшему также родиной виноделия.

Для того, чтобы запустить брожение в каком-либо новом субстрате (тесте, сусле и др.), вплоть до конца XIX века использовали остатки старого, уже перебродившего. Так в различных хозяйствах столетиями происходила селекция дрожжей, и сформировались новые расы этих грибов, не встречающиеся в природе. По сути, они представляют собой такие же продукты человеческой деятельности, как сорта культурных растений.

В 1680 году голландский натуралист Антони ван Левенгук впервые увидел дрожжи в оптический микроскоп, однако из-за неподвижности клеток не распознал в них живые организмы. Лишь в 1857 году французский микробиолог Луи Пастер «легализовал» этих верных помощников человека. Расследуя по просьбе одного магната причины порчи вина, ученый доказал, что спиртовое брожение – это не химическая реакция, как считалось ранее, а биологический процесс, который может происходить только в присутствии живых организмов – дрожжей. Спустя 26 лет в химико-физиологической лаборатории датского пивоваренного завода «Carlsberg» Эмиль Христиан Хансен разработал метод культивирования чистых культур дрожжей, и проблема порчи пива вследствие использования нестабильных «диких» дрожжей была решена. Выделенная культура дрожжей представляла собой одну из многочисленных рас S. cerevisiae. Она получила название S. carlsbergensis и по сей день используется пивоварами всего мира. Первые важнейшие открытия ознаменовали рождение науки о дрожжах – зимологии.

Дрожжи представляют собой неподвижные клетки овальной формы размером 2-10 мкм. Обычно они размножаются почкованием или делением, но у них наблюдается и половой процесс. Дрожжевая клетка обладает характерными для грибов особенностями, а именно в ней сочетаются признаки растений и животных. Клеточная стенка у дрожжей жесткая, как у растений, но в клетке отсутствуют хлоропласты и накапливается гликоген, как у животных. Согласно современным представлениям, дрожжи - это не единый таксон, а, скорее, жизненная форма. Предполагается, что они произошли от многоклеточных высших грибов, однако в связи с переходом к обитанию в жидких и полужидких сахаристых субстратах их организация упростилась: дрожжи утратили мицелиальное строение и стали одноклеточными.

Неутомимые сладкоежки

Обычно дрожжей обитают на богатых сахарами субстратах: поверхности плодов и листьев, где они питаются прижизненными выделениями растений, нектаром цветов, раневыми соками, мертвой фитомассой и др. Некоторые виды дрожжей присутствуют в кишечнике питающихся древесиной насекомых, другие обитают в почве.

Дрожжам необходим кислород для дыхания, однако многие виды дрожжей являются факультативными анаэробами: при отсутствии кислорода они способны получать энергию за счет брожения с выделением спиртов и углекислого газа. При пропускании воздуха через сбраживаемый субстрат дрожжи прекращают процесс брожение и начинают дышать, потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Дыхание энергетически более выгодно и ускоряет рост дрожжевых клеток. Однако при высоком содержании глюкозы в среде дрожжи начинают ее сбраживать даже при доступе кислорода. Если в присутствии кислорода дрожжи усваивают углеводы, жиры, углеводороды и спирты, то в анаэробных условиях могут использовать в качестве источника энергии только углеводы, причем в основном глюкозу и фруктозу, и состоящие из них олигосахариды. Для пивоваров и виноделов важны продукты вторичного метаболизма дрожжей, выделяемые в среду в малых количествах: сивушные масла, ацетилметилкарбинол, масляный альдегид, изоамиловый спирт и др. Именно от них зависят органолептические свойства полученных с использованием дрожжей продуктов.

Хлеб насущный

Важнейший этап в приготовлении хлеба – образование углекислого газа под действием дрожжей. Все дрожжи, которые используют в хлебопечении, относятся к виду S. cerevisiae. На протяжении столетий закваски для теста пекари получали с пивоварен. В конце ХIХ века было налажено производство прессованных или сухих пекарских дрожжей.

Мука обычно почти не содержит свободных сахаров, которые сбраживаются дрожжами, поэтому для заквашивания теста в нее добавляют сахар. При брожении происходит интенсивное выделение углекислого газа, который заставляет тесто «подниматься» и после выпечки придает хлебу губчатую структуру и мягкость. Также в тесте образуются спирт, испаряющийся в процессе выпечки, и множество вторичных метаболитов, обусловливающих вкусовые и ароматические качества хлеба. Для получения большего количества вкусовых соединений тесто прокалывают или перемешивают, высвобождая углекислый газ, а затем снова оставляют «подниматься».

Не хлебом единым…

В пивоварении в качестве сырья используют проросшие зерна ячменя, риса или кукурузы. Зерно содержит много крахмала, но мало сбраживаемых дрожжами сахаров. Поэтому перед брожением крахмал «осахаривают», подвергая гидролизу. Затем зерно высушивают, размалывают, кипятят, фильтруют, получая пивное сусло. В процессе варки в сусло добавляют хмель, придающий пиву характерный горьковатый привкус. Полученное пивное сусло сбраживают чистыми культурами дрожжей.

В пивоварении различают два типа брожения: верховое и низовое. Для этого используют различные культуры S. cerevisiae. Низовое брожение происходит при температуре 6-10 °C, в то время как верховое - 14-25 °C. В конце брожения низовые дрожжи оседают на дно сосуда, образуя плотный осадок, а верховые - всплывают на поверхность, образуя так называемую шапку.

Технологии производства кваса и пива во многом схожи, однако помимо ячменного солода при квасоварении широко применяют ржаной. К нему добавляют муку и сахар, после чего смесь заливают водой и варят с образованием сусла. Важнейшим отличием производства кваса является использование при сбраживании сусла не только дрожжей, но и молочнокислых бактерий.

Истина в дрожжах?

В основе получения вина лежит сбраживание фруктозы и глюкозы виноградного сока с образованием этилового спирта. Виноград давят и получают виноградное сусло (муст), в котором содержится 10-25% сахара. В традиционных процессах сбраживание муста происходит с помощью дрожжей, главным образом вида Hanseniaspora uvarum, присутствующих на плодах винограда, а также «бродильщиков», обитающих на стенках винных бочек. Эти «дикие» дрожжи могут привести к непредсказуемому результату брожения, поэтому в современном виноделии используют в основном чистые культуры специальных рас S. cerevisiae. Присутствующие в сусле «дикие» дрожжи убивают, пропуская через муст двуокись серы.

Дрожжи вносят в производство вина двойной вклад: они ответственны за образование этанола, а также за накопление в нем сотен органолептических соединений. Шампанское получают из смеси вин, в которую добавляют сахар и дрожжи, после чего выдерживают в замкнутом объеме для вторичного брожения. Прекращение брожения связано либо с исчерпанием запасов сахаров, либо с достижением порога токсичности этанола для дрожжей (до 18% спирта в растворе для чистых культур дрожжей, до 15% – для «диких» дрожжей).

Дрожжи в эру биотехнологии

Теоретически этанол можно получать из любого источника углеводов, которые сбраживаются дрожжами. Обычно в качества продуцента этанола используют определенные расы S. cerevisiae, а в качестве сырья - сахарный тростник, фуражную кукурузу и другие дешевые источники углеводов. Для получения сбраживаемых моно- и олигосахаридов сырье гидролизуют серной кислотой или амилазами грибного происхождения. Затем проводится сбраживание и ректификационная перегонка спирта до стандартной концентрации около 96%.

Недавно были найдены виды дрожжей (Pachysolen tannophilus и Pichia stipitis), способные сбраживать пентозы, в большом количестве содержащиеся в гидролизатах древесины. Это перспективно с точки зрения использования для получения этилового спирта отходов целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности.

В последние десятилетия использование дрожжей в биотехнологических процессах резко увеличилось. Сейчас с их помощью получают различные органические кислоты, полисахариды, многоатомные спирты (глицерин, ксилит и др.), витамины, ферментные препараты и др. Например, из дрожжевого осадка, образующегося как отход пивоварения, выделяют фермент β-фруктофуранозидазу (инвертазу), который расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу и широко применяется в кондитерской промышленности. А дрожжи Yarrowia lipolytica необходимы для получения липолитических ферментов, используемых в сыроварении, косметической промышленности, при выделке мехов и кож, в моющих средствах.

Дрожжи богаты белками: их содержание может достигать 65% массы. Поэтому дрожжевая биомасса служит для обогащения белками пищи человека и корма сельскохозяйственных животных. В настоящее время различные дрожжевые экстракты применяют как пищевые и вкусовые добавки. Продаются также инактивированные тепловой обработкой, но не разрушенные пивные дрожжи, особенно популярные среди вегетарианцев.

Дрожжелечение

Высушенные пивные дрожжи нашли применение в производстве лекарственных препаратов и биологически активных добавок, которые обычно употребляют как общеукрепляющее, витаминосодержащее средство при малокалорийном питании и анемии. Кроме того, дрожжи назначают пациентам с медленно заживающими ранами, ожогами, различными заболеваниями кожи. Следует, однако, отметить, что пивные дрожжи стимулируют желудочную секрецию и выработку пищеварительных ферментов поджелудочной железой. Поэтому при заболеваниях пищеварительного тракта препараты и содержащие пивные дрожжи продукты следует употреблять только после консультации с врачом.

Среди «дрожжевых» лекарственных препаратов следует отметить антидиарейные средства на основе S. boulardii. При приеме внутрь этот вид дрожжей временно защищает здоровую микрофлору кишечника и помогает организму восстанавливать естественный бактериальный баланс. S. boulardii производят молочную кислоту, тем самым создавая неблагоприятную среду для жизнедеятельности патогенных микроорганизмов. Кроме того, они инактивируют бактериальные токсины, стимулируют иммунные реакции в кишечнике, нормализуют пристеночное пищеварение и снижают частоту сокращений мускулатуры кишечника у больных синдромом раздражённого кишечника. Важно, что S. boulardii не колонизируют кишечник и через несколько дней после окончания приема естественным путем выводятся из организма.

Не только друзья?

Сегодня известно около 1500 видов дрожжей. Среди них нет облигатно-патогенных видов, которые могут размножаться только в организме человека. В природе встречаются условно-патогенные дрожжи, обладающие способностью вызывать серьезные заболевания у людей с ослабленным иммунитетом. Так, дрожжи рода Candida являются компонентами нормальной микрофлоры человека, однако при ослаблении защитных сил организма могут массово развиваться, вызывая заболевание - кандидоз. Дрожжи Cryptococcus neoformans вызывают криптококкоз, особенно опасный для ВИЧ-инфицированных. Клетки C. neoformans окружены полисахаридной капсулой, что препятствует их распознаванию и уничтожению клетками иммунной системы. Следует также отметить род дрожжей Malassezia. Они обитают на кожных покровах и у здоровых людей при нормальном функционировании сальных желез приносят пользу: препятствуют развитию более опасных патогенов. При нарушении иммунитета Malassezia spp. вызывают питириаз (отрубевидный лишай), фолликулит и себорейный дерматит.

 

Считается, что слово «дрожжи» имеет общий корень со словом «дрожь», означающим вспенивание жидкости в процессе брожения. Английский вариант - слово yeast - происходит от староанглийского gist - пена, кипеть, выделять газ

 

Двигатели науки

Короткий жизненный цикл и возможность быстрого получения большого числа особей и поколений сделали дрожжи излюбленным модельным объектом для изучения биохимии, генетики и молекулярной биологии эукариот. В частности, S. cerevisiae стали первым эукариотическим организмом, геном которого был полностью расшифрован в 1996 году

 Статья из журнала "Фармацевт Практик"

Дата публикации: 25 Октября 2017

Нравится