Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

К вопросу об управлении жизнедеятельностью микроорганизмов (на примере дрожжей).

Глущенко Л. Ф., Глущенко Н. А.,

3.12 Обсуждение результатов

Брожение - сложный биохимический процесс преобразования веществ сусла. От физиологического состояния дрожжей зависит, как будет проходить процесс брожения. Управление процессами жизнедеятельности дрожжей и их активностью способствует интенсификации процесса брожения. Это сложный процесс, зависящий от ряда факторов, основным из которых являются сами дрожжи, обеспечивающие интенсификацию, и их качество. Тщательные исследования дрожжей, начиная от засева до отбора  и их хранения, проведенные нами, выявили возможности активации процесса брожения пива. В работе исследовалось влияние ЭИО на расы пивных дрожжей Rh, N и He-Bru.

В первой части экспериментальной работы были осуществлен подбор режимов и испытание дрожжевых клеток по таким показателям качества, как нежизнеспособность, содержание гликогена, проверка их способности сбраживать сусло. Анализ состояния дрожжей с помощью метода определения жизнеспособности окрашиванием метиленовым синим, помог нам выявить возможность ускорения брожения пива. Анализируя результаты  исследований по изучению количества нежизнеспособных дрожжевых клеток, нами отмечена некоторая зависимость получаемого эффекта от исходного физиологического состояния объекта в момент обработки. Заметим, что в зависимости от интенсивности ЭИО, можно получить как активирующий, так и ингибирующий эффект.

Было проведено углубленное исследование  влияния ЭИО на дрожжи расы Rh, в том числе на дрожжи этой расы с высоким содержанием нежизнеспособных клеток, трудносбраживающих пивное сусло, их роль в процессе брожения и дображивания, результат исследования которых, имеет своей целью отказ от ферментных препаратов в процессе брожения при одновременном получении качественного пива.

Путём внесения изменений в технологию производства пива на этапе введения дрожжей (использование ЭИО), мы смогли добиться улучшения физиологического состояния семенных дрожжей. Основным резервным веществом, которое клетка использует для получения энергии, необходимой (особенно в начале роста) для размножения и метаболической деятельности, является гликоген. В течение первых часов после ЭИО дрожжи проявили тенденцию к более значительному потреблению гликогена, а затем к более интенсивному его синтезу, что при повторном использовании дрожжей показало их более активное размножение, так как в лаг-фазе в распоряжении клеток имелся богатый источник энергии для синтеза стеринов и жирных кислот.

Использование ЭИО дрожжей увеличивает стойкость дрожжей к автолизу. Мы считаем, что при хорошем качестве сырья и семенных дрожжей, ЭИО дрожжей следует  проводить не каждый раз перед процессом главного брожения, а только в случае ослабления дрожжей.  В своих исследованиях мы создали условия, которые влияют на метаболическую активность клетки с сохранением изменений в генетической памяти дрожжей, что очень актуально для производства. Была выявлена сохраняемость свойств после ЭИО, проявляющаяся, главным образом, при главном брожении и дображивании. Дрожжи в это время проявляют свои лучшие свойства и качества, что позволяет их дольше использовать в производстве и реже делать разведение чистой культуры.

Исследование готового пива, полученного с использованием ферментных препаратов в процессе брожения и ЭИО дрожжей для ускорения брожения, показали, что физико-химические показатели полученного пива соответствуют существующим стандартам и не отличаются от пива, полученного по классической технологии. Полученные результаты показали, что использование ЭИО дрожжей позволяет повысить степень сбраживания на 4,1...5,9 %, содержание этанола на 6...11%. На содержание в пиве аминного азота интенсифицированные режимы сбраживания с использованием ЭИО дрожжей и ферментных препаратов не оказали заметного влияния. В процессе брожения наблюдалось интенсивное выделение диоксида углерода. Увеличение активности дрожжей за счет ЭИО сказалось и на активации процесса дображивания - несмотря на более глубокое выбраживание, пиво за более короткий срок набрало давление 0,6 атм., установленное на аппарате дображивания. В результате улучшилось пенообразование готового пива и его пеностойкость. При использовании ЭИО дрожжей наблюдалась более интенсивная редукция диацетила. Исследование пива, полученного при сбраживании сусла из солода, приготовленного из ячменя урожая 2004 г, с использованием ферментов и ЭИО дрожжей для ускорения брожения показало, что использование ЭИО дрожжей позволяет при сбраживании сусла с пониженной степенью сбраживания, повышенной цветностью, кислотностью, содержанием аминного азота, редуцирующих сахаров и диацетила получать пиво с физико-химические показателями, соответствующими существующим стандартам.

По результатам закрытой дегустации органолептические показатели готового пива, полученного при использовании ферментных препаратов и ЭИО дрожжей для ускорения брожения, не отличались от пива, полученного по классической технологии. Сравнение данных дегустационной оценки пива показало, что наилучшие оценки (22...25 баллов) получило пиво, сброженное с использованием ЭИО дрожжей, оно отличалось хорошим, гармоничным вкусом и высокими пенистыми свойствами.

Таким образом, можно сделать вывод, что интенсификация процесса брожения за счет ЭИО дрожжей (сокращение длительности брожения) приводит к изменению метаболических процессов в дрожжах, улучшает их физиолого-биохимического свойства, активирует бродильную активность, усиливает биохимические превращения некоторых продуктов метаболизма, например, диацетила, снижение содержания которого в пиве повышает его качество.

Значимость исследований для производства заключается в подборе режимов ЭИО дрожжей, их обоснование, предложение регрессионной модели с режимами ЭИО в зависимости от напряженности и экспозиции.

В результате воздействия физических факторов на обрабатываемые объекты происходит целенаправленное изменение биохимических и физиологических процессов, например, торможение или повышение ферментативной активности.

В процессе ЭИО клетка находится под воздействием электрического поля коронного разряда: поверхность клетки поляризуется, благодаря чему, оказывается воздействие на мембрану и работу Са, Na каналов, ответственных за транспорт веществ, питание и рост клетки. Клетка в процессе обработки находится в среде, обогащенной раствором кислорода (активной формой), благодаря чему усиливается дыхание. Посредством совокупности факторов мы получаем клетки, наиболее подготовленные к работе процесса брожения, что фиксируется в наших исследованиях.

Нами было замечено, что эффект от воздействия тогда больше, когда дрожжи ослаблены, что дает заряд для репродуктивной работы клетки. Электронный заряд оказывает влияние и на транспорт и на работу клеточной мембраны. Если клетка в хорошем физиологическом  состоянии, то процессы жизнедеятельности протекают интенсивно: активно идет транспорт ионов через мембрану, клетка готова к процессу потребления сахаров.

Считаем, что эффект воздействия ЭИО на дрожжевую клетку в нашем  случае  связан с тремя аспектами воздействия ЭИО, имея при этом комплексный характер - воздействуя на среду нахождения микроорганизмов и непосредственно на сами микроорганизмы:

1. Коронный разряд сопровождается насыщением воздуха и растворов между коронирующими электродами более активными формами кислорода (О₂, О^-, О, О₃  и др.), которые ускоряют протекание окислительно-восстановительных процессов в клетке, повышают проницаемость мембран клеток благодаря введению в раствор ионов. Поступление кислорода из жидкости к дыхательным ферментам цитоплазмы клеток осуществляется путем диффузии из окружающей жидкости и поверхности клетки, проходя через оболочки и цитоплазматическую мембрану, включается в метаболизм молекул с последующим образованием квантов света. Озон обладает большой окислительной способностью, повышенной активностью и проникающей способностью. Благодаря диффузии озона и снабжению активными формами кислорода, а также появлению дополнительного источника для образования Н₂О₂, непосредственно в клетке интенсифицируются различные ферментные реакции, активизируется процесс потребления дрожжевой клеткой субстратов питательной среды, вследствие чего повышается бродильная активность. В свою очередь,  Н₂О₂ используется пероксидазой, участвующей в НАДФН, что ведет к стимулированию окислительного пентозофосфатного пути (ПФП).
2. С увеличением содержания растворенного озона снижается вязкость, плотность и поверхностное натяжение углеводсодержащих растворов (сусла). Вода легче поступает в клетку, а вместе с ней питательные вещества, растворенные в ней (вещества сусла) [7]. В жидкой среде озон растворяется в 16 раз больше, чем кислород, и насыщает среду активными формами кислорода.
3. Изменение заряда (потенциала) на границе мембраны и заряда на поверхности мембраны влияет на её проницаемость. Считаем, что это происходит за счет того, что мембрана дрожжевой клетки получила определенный заряд, вследствие чего усилился обмен веществ по Са, Na каналам, что, в свою очередь, повлияло на усиление потребления кислорода, питательных веществ сусла. Благодаря введению в раствор дополнительных ионов питание клеток становится более доступным. Увеличени­е проницаемости мембраны за счет изменения заряда поверхности мембраны клетки, отвечающей за поступление и вывод продуктов жизнедеятельности, способствует активации пермеазной сис­темы и ассимиляции дрожжевыми клетками аминокислот из пив­ного сусла. Это, в свою очередь, способству­ет интенсификации многих биохимичес­ких процессов, в первую очередь син­теза белка, что согласуется с характе­ром изменения почкующихся клеток. Обработка дрожжевой суспензии отрицательно заряженными ионами вызывает увеличение поверхностного потенциала клеток. Это выражается в увеличении адсорбционной способности дрожжевых клеток. Ингибирующий эффект возникает за счет большой дозы заряда, скопившегося на поверхности клетки: дальнейшее активирование, находящейся в активном состоянии клетки привело к ухудшению ее качественных показателей.

Метаболическая активность влияет на флокуляцию клетки. По данным Холертон М. [22] это происходит вследствие изменения содержания полисахаридов в клеточной стенке (снижение содержания маннана).

Исследования Абрамова Ш.А. и др. [1]  показали, что дрожжевой клетке требуется определенное время для перестрой­ки организма, причем вначале вновь приобретенные свойства нестойки и легко утрачиваются. Однако при более длительном культивировании эти свойства становятся устойчивее. Клетка вынуждена определенным обра­зом менять активность своих ферментных систем и в соответствии с этим обмен веществ в целом. Поэто­му регулирование обменных процессов, принимая во внимание состав пи­тательной среды, - один из главных путей повыше­ния эффективности биотехнологического процесса. Использование пивного сусла, богатого мине­ральными и органическими соединениями, как питательной среды для дрожжей, весьма благоприятно для роста и развития дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae и в конечном итоге спо­собствует увеличению выхода биомассы, усилению активности ферментов, стабилизации клеточных структур, синтезу белка, резервных углеводов и дру­гих жизненно важных компонентов клетки [10]. Наблюдаемые явления можно объяс­нить тем, что пивное сусло - полноценная питательная среда. Оно содержит низкомолекулярные углеводы, азотис­тые вещества, витамины и микроэле­менты. Углеводы служат субстратом для синтеза гликогена, азотистые вещества обеспечивают рост и размножение дрожжей. Мы предполагаем, что более высокое качество дрожжей в отношении процентного содержания живых клеток выражается в улучшении потребления свободного азота аминокис­лот в процессе главного брожения.

Снижение количества клеток с гликогеном связано с использо­ванием запасного полисахарида в ка­честве источника энергии и углеводов на поддержание процесса жизнедеятель­ности культуры. По данным  Кунце [13], после попадания в сусло дрожжевая клет­ка должна, прежде всего, привыкнуть к новой среде, которая оказывает на нее сначала шо­ковое воздействие: другая температура, рН, вы­сокая концентрация сахара и т. д. В течение нескольких часов дрожжевая клетка выделяет во внешнюю среду аминокислоты и нуклеотиды, однако вскоре она начинает некоторые из них потреблять. Перед тем, как клетка вступает в тесный контакт с новой средой, она расщепляет хранящиеся в ней запасные веще­ства, которые дают ей первую энергию.

Приведенные выводы по результатам наших исследований не разнятся с гипотетическими предположениями и знаниями о жизнедеятельности микроорганизмов, которые опубликованы в настоящее время в открытой печати многими исследователями.