ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТОК SACCHAROMYCES CEREVISIAE

Меледина Татьяна Викторовна; Маньшин Дмитрий Викторович; Головинская Оксана Владимировна; Харба Разан Абедалкарим; Иванова Вера Анатольевна; Морозов Артем Александрович

УДК 633.12 doi: https://doi.org/10.36107/spfp.2020.246

Факторы, влияющие на поверхностный электрический заряд дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae

Меледина Татьяна Викторовна

ФГАОУ ВО «НИУ ИТМО» Адрес: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9 E-mail: tatiana.meledina@yandex.ru

Маньшин Дмитрий Викторович

ФГАОУ ВО «НИУ ИТМО» Адрес: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

E-mail: dmanshin1@gmail.com

Головинская Оксана Владимировна

ФГАОУ ВО «НИУ ИТМО» Адрес: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

E-mail: oksana2187@mail.ru

Харба Разан Абедалкарим

ФГАОУ ВО «НИУ ИТМО» Адрес: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

E-mail: razan.harbah@mail.ru

Иванова Вера Анатольевна

ФГАОУ ВО «НИУ ИТМО» Адрес: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

E-mail: vera_ershova@mail.ru

Морозов Артем Александрович

ФГАОУ ВО «НИУ ИТМО» Адрес: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

E-mail: artemamor@mail.ru

Проблема низкой коллоидной стойкости пива отчасти может быть решена за счет адсорбционной способности дрожжевых клеток. Предполагается, что увеличение количества извлекаемых в результате сорбции на клеточной поверхности дрожжей мутеобразующих коллоидов может быть достигнуто путем увеличения отрицательного заряда клеточной поверхности. Электрический заряд клеточной поверхности дрожжей обусловлен молекулярным составом клеточной стенки, в основном функциональными группами внешнего слоя маннопротеинов - фосфатными, карбоксильными и аминогруппами. В рассматриваемых работах с использованием метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было показано, что заряд клеточной поверхности, охарактеризованный дзета-потенциалом или электрофоретической подвижностью, определяется концентрациями поверхностного фосфора и азота, а также их отношением. Как правило, для штаммов низового брожения свойственны более высокие концентрации поверхностного фосфора и более низкие значения отношения N/P, обратное справедливо для верховых штаммов. С другой стороны, физико-химические факторы внешней среды также влияют на электрический заряд клеток. В ходе аналитического обзора было выявлено влияние таких факторов, как рН, продолжительности процесса ферментации, аэрации сусла и внесения свободного фосфора в культуральную среду. Так, с уменьшением рН электрический заряд или характеризующий его дзета-потенциал становится более положительным. Поскольку в

ходе ферментации наблюдается снижение рН, электрический заряд также становится более положительным с протеканием процесса брожения. Аэрация, внесение свободного фосфора и увеличение первоначальной плотности сусла, наоборот, увеличивают отрицательный заряд клеток. Наконец, увеличение числа циклов брожения приводит к изменению электрического заряда в направлении положительных значений. Согласно представленным данным, может быть сделан вывод о том, что путем варьирования и подбора упомянутых факторов возможно достичь увеличения отрицательного заряда клеточной поверхности дрожжей. Однако для подтверждения предположения об увеличении извлекаемых путем адсорбции коллоидов за счет увеличения отрицательного заряда клеток требуются дальнейшие экспериментальные исследования данного вопроса.

Ключевые слова: Saccharmyces cerevisiae, коллоидная стабильность пива, адсорбция, дзета-потенциал, поверхностный электрический заряд клеток, брожение

Введение

Коллоидная нестабильность пива по-прежнему остается важной проблемой в пивоварении ввиду того, что коллоидная стабильность является критерием качества конечного продукта (Steiner, Becker, Gastl, 2010; Mastanjevic, Krstanovic, Lukinac, Jukic, Vulin, Mastanjevic, 2018).

К основным компонентам коллоидных помутнений относятся белки, полифенолы и в меньшей степени углеводы (Steiner, Becker, Gastl, 2010).

Считается, что взаимодействия между белками и полифенолами, в результате которых образуются белково-полифенольные комплексы, являются главной причиной коллоидного помутнения (Leiper, Stewart, McKeown, 2003; Дедегкаев, 2005; Leiper, Stewart, McKeown, Nock, Thompson., 2005). При этом различают два типа коллоидного помутнения: обратимое (холодное) и необратимое (постоянное). Первое является результатом взаимодействия низкомолекулярных полифенолов с белками посредством водородных связей с образованием частиц размером от 0,1 до 1,0 мкм. Данный тип коллоидного помутнения называется обратимым (холодным), поскольку он образуется при охлаждении пива до 0°C, но исчезает при нагревании до 20°С. Необратимое же (постоянное) коллоидное помутнение не исчезает при 20°С и обусловлено окислительной полимеризацией полифенолов и взаимодействием уже полимери-зованных форм полифенолов с белками, в этом случае размер частиц лежит в диапазоне от 1 и 10 мкм (Chapon, 1994; Siebert, Troukhanova, Lynn, 1996).

Несмотря на то, что как обратимые, так и необратимые помутнения заслуживают внимания исследователей, основная проблема все-таки заключается в образовании «холодной мути»,

поскольку она возникает первой и переходит в постоянную (необратимую) форму (Bamforth, 1999). Другими словами, внимание исследователей при оценке коллоидной стабильности пива должно быть обращено, в первую очередь, на частицы, размер которых меньше 1 мкм (Asano, Shinagawa, Hashimoto, 1982).

В современном пивоварении для повышения стабильности пива используют химические, физико-химические и механические способы воздействия на коллоидную систему напитка. Выбор того или иного метода определяется конкретными задачами, стоящими перед пивоваром. Химические способы предназначены для уменьшения скорости окислительных процессов в пиве. Для этого в некоторых случаях в напиток добавляют антиоксиданты, которые взаимодействуют с кислородом воздуха и предотвращают окисление фенольных соединений. Физико-химические способы направлены на удаление коллоидов различной природы с помощью адсорбентов. В частности, для удаления муте-образующих белков применяют силикагели, а для снижения концентрации фенольных соединений — поливинилполипирролидон (ПВПП). Кроме того, повышению стойкости пива способствуют такие технологические операции, как сепарирование и фильтрация (Афонин, Дедегкаев, Давыденко, Меледина, 2012).

В то же время, в процессе ферментации дрожжевые клетки адсорбируют на своей поверхности коллоидные частицы субмикронного размера, диаметр которых преимущественно лежит в диапазоне 0,31-0,39 мкм (Дедегкаев, 2005). При этом количество адсорбированных на поверхности дрожжевых клеток коллоидных частиц зависит от значения дзета-потенциала последних, который характеризует поверхностный электрический заряд (Афонин, Дедегкаев, Давыденко, Меледина, 2012). Так, чем отрицательнее дзета-потенциал дрожжевых клеток, тем большее количество поло-

жительно заряженных коллоидных частиц может быть извлечено.

Как известно, поверхностный электрический заряд дрожжевых клеток, как и большинства других микроорганизмов, отрицателен, в то время как коллоиды пива при значениях рН, соответствующих концу ферментации, приобретают положительный заряд (Bowen, Ventham, 1994). Из этого следует возможность увеличения электростатического притяжения между коллоидами пива и дрожжевыми клетками, а следовательно, и адсорбции коллоидов на клеточной поверхности, за счет увеличения отрицательного заряда последних. В то же время увеличение числа адсорбированных частиц может привести к снижению затрат на адсорбенты: силикагель и ПВПП.

По этой причине, на наш взгляд, актуально проведение аналитического обзора экспериментальных данных, освещающих вопрос о влиянии физико-химических факторов внешней среды на поверхностный электрический заряд дрожжевых клеток.

Электрический заряд клетки, как и другие поверхностные свойства, определяется молекулярным составом и структурой клеточной стенки, именно поэтому в представленном обзоре сначала будут рассмотрены характерные особенности этой клеточной органеллы и связь между молекулярным составом внешнего слоя клеточной поверхности и электрическим зарядом. Однако помимо этой обусловленности, факторы внешней среды, такие как рН, состав культу-ральной жидкости, плотность сусла, также влияют на величину и знак электрического заряда клеток, этому влиянию будет посвящен последний раздел обзора.

Молекулярный состав и структура клеточной стенки 5. еегеугягае

Клеточная стенка - это неотъемлемая клеточная структура S. cerevisiae и может быть описана как динамическая жизненно необходимая органелла. К основным функциям клеточной стенки относятся: осморегуляция, защита от механических воздействий и поддержание формы (К^, 2006).

На клеточную стенку может приходиться 10-25% сухой массы клетки ^рке, Ovalle, 1998; кнб, Воогета, De Groot, 2006). Причем ее молекулярный состав и структура не являются постоянными и варьируются в зависимости от клеточного цикла, стадии роста, состава питательной среды и

наличия стрессов (Aguilar-Uscanga, Francois, 2003; Orlean, 2012).

К основным компонентам клеточной стенки относятся глюканы, маннопротеины и хитин. Глюканы, представленные р-1,3- и р-1,6-глюка-нами, образуют комплекс с хитином и формируют внутренний слой клеточной стенки, обуславливающий механическую прочность. В свою очередь, маннопротеины, на которые приходится 30-50% сухой массы клеточной стенки, представляют собой гликопротеины с высокой степенью глико-зилирования и образуют внешний слой (Klis, Mol, Hellingwerf, Brul, 2002). Данная фракция придает клеточной стенке дрожжей активные свойства и играет важную роль в контроле пористости стенки, регулируя тем самым молекулярный транспорт (Caridi, 2006).

Стоит отметить, что гликановая часть манно-протеинов состоит не только из нейтральных олигосахаридов, содержащих маннозу и N-аце-тилглюкозамин, но также из кислых маннанов, представленных маннозилфосфатом, в количествах, которые варьируются от штамма к штамму (Friis, Ottolenghi, 1970; Jigami, Odani, 1999). Маннозилфосфатный трансфер, то есть появление фосфатных групп в составе манно-протеинов, может быть вызван осмотическим стрессом, а увеличение числа фосфатных групп во внешнем слое клеточной стенки, в свою очередь, приводит к увеличению отрицательного заряда клеточной поверхности и, как следствие, появлению защитной гидратной оболочки (Odani, Shimma, Wang, Jigami, 1997).

Поверхностный электрический заряд

Электрический заряд клеточной поверхности обусловлен диссоциацией фосфатных и карбоксильных групп маннопротеинов, а также в меньшей степени протонированием аминогрупп белков (Bowen, Sabuni, Ventham, 1992). В целом, поверхностный заряд дрожжевых клеток, как и большинства других микроорганизмов, отрицателен (Vu, Sys, Cervenka, 2011).

Поверхностный заряд микроорганизмов может быть охарактеризован дзета-потенциалом, определение которого возможно экспериментально из электрокинетических явлений, связанных с относительным перемещением фаз (Михеева, Пикула, 2009). Дзета-потенциал или же электрокинетический потенциал представляет собой электрический потенциал в двойном слое на границе между частицей, способной к движению

в электрическом поле и окружающей жидкостью (Евстратова, Купина, Малахова, 1990).

С помощью электрокинетических методов, таких как электрофорез и электроосмос, могут быть определены значения линейной скорости движения частицы (клетки) к электроду противоположного знака. После чего с использованием уравнения Смолуховского (1) рассчитывается значение дзета-потенциала:

z=

rj-U s-s0 - H

(1)

где £ - величина электрокинетического потенциала, В;

П - вязкость среды, Н-с/м2; е - диэлектрическая проницаемость среды; е0 - электрическая константа; и - линейная скорость движения частицы, м/с; Н - напряженность электрического поля, В/м.

Стоит отметить, что помимо дзета-потенциала отрицательный поверхностный заряд клеток может быть охарактеризован коэффициентом удержания альцианового синего красителя, который представляет собой тип фталоциани-нового комплекса, имеет четыре положительно заряженных участка в молекуле и, следовательно, способен адсорбироваться на отрицательно заряженных клеточных поверхностях дрожжей (Уи, Sys, Сегуепка, 2011).

Зависимость поверхностного электрического заряда клеток Б. свгвутав от молекулярного состава компонентов клеточной стенки

Как упоминалось ранее, поверхностные свойства дрожжевых клеток, в том числе электрический заряд, обуславливаются молекулярным составом и строением клеточной стенки. Исходя из этого, разумно предположить, что экспериментальное определение данных свойств, а точнее характеризующих их величин (в случае электрического заряда - дзета-потенциал), не является достаточным для исчерпывающего анализа. Одним из возможных сопутствующих электрокинетическому исследованию методов анализа может быть химический (элементный) анализ клеточной поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (ХРБ).

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (ХРЗ) обеспечивает химический анализ внешнего слоя (2-10 нм) анализируемого объекта (Dengis, Rouxhet, 1997). Проведение экспери-

мента в указанном сочетании может позволить достичь более глубокого понимания первопричин поверхностных свойств. Так конкретные значения поверхностного заряда могу быть объяснены вкладами некоторых функциональных групп, таких, например, как фосфатные, карбоксильные и аминогруппы.

Авторами работы (Amory, Rouxhet, Dufour, 1988) было проведено исследование молекулярного состава, электрического заряда и гидрофобности клеточной поверхности штаммов верхового и низового брожения: Saccharomyces cerevisiae MUCL 28733 и MUCL 28285 соответственно. Определение дзета-потенциала проводилось методом микроэлектрофореза (при рН = 4), а анализ молекулярного состава клеточной поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Было показано, что верховые дрожжи имеют менее отрицательный дзета-потенциал, меньшую концентрацию поверхностного фосфора (Р) и большее отношение поверхностных концентраций N/P по сравнению со штаммами низового брожения. Также было показано, что существует положительная корреляция между значением дзета-потенциала и концентрацией поверхностного фосфора, то есть дзета-потенциал становится более отрицательным с увеличением концентрации поверхностного фосфора.

В работе (Dengis, Nelissen, Rouxhet, 1995) также было проведено сравнение молекулярного состава клеточной стенки и поверхностного электрического заряда клеток дрожжей штаммов низового и верхового брожения: Saccharomyces cerevisiae MUCL 28285 и MUCL 38475 соответственно. Молекулярный состав клеточной поверхности исследовался методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), электрофоретическая подвижность клеток определялась с использованием микроэлектрофореза без последующего расчета дзета-потенциала. В противоположность данным, представленным в работе (Amory, Rouxhet, Dufour, 1988), различия в концентрации поверхностного фосфора между штаммами низового и верхового брожения отсутствовали, однако, более отрицательные значения электрокинетической подвижности при рН = 4 проявляли клетки штамма низового брожения (MUCL 28285). В связи с этим, авторами вышеуказанной работы было выдвинуто предположение, что электрический заряд клеточной поверхности обусловлен не только фосфатными группами фосфоманнана, но также карбоксильными и аминогруппами белков маннопротеинов. Однако концентрации карбоксильных и прото-

нированных аминогрупп клеточной поверхности дрожжей не могут быть определены методом XPS.

В работе (Dengis, Rouxhet, 1997) исследовалась связь между поверхностными свойствами (электрические свойства и гидрофобность) дрожжевых клеток и химическим составом поверхности, определенным методом ХРБ, а также различия в указанных свойствах между верховыми и низовыми штаммами. В рамках работы были исследованы 12 верховых и 8 низовых штаммов. Аналогично данным, полученным в работе (Атогу, Rouxhet, Dufour, 1988), у штаммов низового брожения наблюдались более высокие концентрации фосфора во внешнем слое клеточной стенки, а также более отрицательные значения электрофоретической подвижности при рН = 4. Однако при значениях рН больше 4, особенно при рН = 7, некоторые верховые штаммы, например, Ми^ 28832, Ми^ 28354, Ми^ 28374, проявляли более отрицательные значения элек-трофоретической подвижности по сравнению с клетками низовых штаммов. На основании этих данных в работе (Dengis, Rouxhet, 1997) был сделан вывод о том, что для низовых штаммов, которые содержат относительно немного белков и больше фосфоманнанов, по сравнению с верховыми, электрические свойства клеток в основном определяются фосфатными группами фосфо-маннана. Для верховых же штаммов, которые обладают относительно небольшим количеством фосфоманнанов и большим количеством белков, электрические свойства в основном определяются карбоксильными и протонированными аминогруппами белков.

Факторы среды, влияющие на поверхностный электрический заряд клеток 5. еегеугягае

В предыдущем разделе была рассмотрена обусловленность поверхностного электрического заряда дрожжевых клеток молекулярным составом клеточной стенки, который непосредственно связан со штаммовой принадлежностью, а, следовательно, является генетически детерминированным. С другой стороны, физико-химические факторы внешней среды также влияют на электрический заряд и обуславливают его. По этой причине в данном разделе будет рассмотрено влияние факторов внешней среды на электрический заряд клеточной поверхности, среди которых: рН, время ферментации, аэрация и первоначальная плотность сусла, а также число циклов ферментации.

Зависимость электрического заряда (дзета-потенциала и электрофоретический подвижности)

от рН среды связана с зависимостью степени диссоциации функциональных групп клеточной поверхности от рН. В свою очередь, степень диссоциации этих функциональных групп при конкретных значениях рН однозначно связана со значениями показателей кислотности этих групп (рКа), значения которых соответствуют значениям рН, при которых рассматриваемые функциональные группы диссоциируют на 50%.

Во многих научных трудах, среди которых (Beavan, Belk, Stewart, Rose, 1979; Bowen, Cooke, 1989; Bowen, Sabuni, Ventham, 1992; Bowen, Ventham, 1994; Dengis, Nelissen, Rouxhet, 1995; Dengis, Rouxhet, 1997; Robinson, Harrison, 2001), была исследована зависимость электрического заряда клеточной поверхности дрожжевых клеток S. cerevisiae от величины рН. Несмотря на различия в используемых методах исследования, штаммах дрожжей и целях научных изысканий, наблюдается общий характер рассматриваемой зависимости

- электрический заряд или характеризующий его дзета-потенциал становится более положительным при уменьшении значений рН среды. Также в работах (Dengis, Nelissen, Rouxhet, 1995; Dengis, Rouxhet, 1997) были определены значения изоэлектрических точек штаммов как низового, так и верхового брожения. Согласно этим данным, изоэлектрическая точка низовых штаммов составляет 2 и меньше, в то время как для верховых около 4.

Как известно, в ходе ферментации наблюдается снижение рН сбраживаемого сусла, что является следствием образования органических кислот

- метаболитов дрожжей. Из этого следует, что отрицательный поверхностный электрический заряд дрожжевых клеток будет снижаться, то есть будет становится более положительным, с увеличением продолжительности ферментации. Данные по зависимости электрического заряда от времени процесса ферментации, отражающие этот характер, могут быть найдены в работах (Bowen, Cooke, 1989; Bowen, Ventham, 1994).

В работе (Дедегкаев, 2005; Афонин, Дедегкаев, Давыденко, Меледина, 2012) было исследовано влияние аэрации сусла на поверхностный электрический заряд дрожжевых клеток штамма 34 / 70 из коллекции Hefebank Weinstephen. Согласно представленным данным, аэрация сусла приводит к увеличению отрицательного значения дзета-потенциала, причем его значение может быть увеличено в два раза (при аэрации сусла в течение 5 минут и дальнейшем культивировании под давлением кислорода 0,5 бар).

Как было показано ранее, существует положительная корреляция между отрицательным поверхностным зарядом (дзета-потенциалом) дрожжевых клеток и концентрацией фосфора во внешнем слое клеточной стенки. Ожидаемо, что внесение свободного фосфора, например, в форме минеральных солей, приводит к увеличению концентрации фосфора в клеточных стенках. Данное предположение было подтверждено авторами работы (Mozes, Schinckus, Ghommidh, Navarro, Rouxhet, 1994) в отношении штамма Saccharomyces cerevisiae 38A. В рамах эксперимента фосфор вносился в культуральную среду в виде суперфосфата калия (KH2PO4) в концентрациях от 0 до 1 г/ дм3. Концентрация фосфора во внешнем слое клеточной стенки определялась методом XPS, электрофоретическая подвижность - методом микроэлектрофореза. Было показано, что с увеличением концентрации свободного фосфора в культуральной среде электрофоре-тическая подвижность клеток становится более отрицательной, а изоэлектрическая точка смещается в область меньших значений рН.

В завершении целесообразно отметить влияние первоначальной плотности сусла (в отношении штамма верхового брожения) и числа циклов повторного брожения (в отношении низового штамма), которое было исследовано в работе (Bowen, Cooke, 1989). Согласно результатом работы, увеличение плотности сусла в диапазоне 1.03-1.105 г/см3 приводит к увеличению отрицательного поверхностного заряда клеток (дзета-потенциала). Данное наблюдение согласуется с предположением об инициирующий роли осмотического стресса в маннозилфосфатном транспорте, то есть в увеличении числа фосфатных групп в составе маннопротеинов. Зависимость же клеточного заряда от числа 72-часовых циклов брожения имела обратный характер: дзета-потенциал становился более положительным при увеличении числа циклов брожения, для объяснения чего требуются дальнейшие исследования.

Адсорбционные процессы с участием клеточной поверхности дрожжевых клеток

Вопрос адсорбционных процессов с участием клеточной поверхности дрожжевых клеток в ходе процесса ферментации широко освящен в сфере виноделия. Так сообщается, что дрожжевые клетки способны адсорбировать на своей поверхности антоцианы (Morata, Loira, Suárez Lepe, 2016; Echeverrigaray, Scariot, Menegotto, Delamare, 2020), фенольные (Razmkhab, Lopez-Toledano, Ortega, Mayen, Merida, Medina, 2002) и аромати-

ческие соединения (Lubbers, Charpentier, Feuillat, Voilley, 1994), а также токсины (Piotrowska, Nowak, Czyzowska, 2013; Cecchini, Morassut, Saiz, Garcia-Moruno, 2018).

К сожалению, сообщения касательно адсорбции компонентов пива, в том числе интересующих нас коллоидов мути, на клеточной поверхности дрожжей не так многочисленны. Тем не менее, электростатический характер взаимодействия между поверхностью дрожжевых клеток и субмикронных частиц сбраживоемого сусла был продемонстрирован в работах (Bowen, Ventham, 1994; Patel, Speers, Lake, 2011). Согласно этим экспериментальным данным к концу ферментации дрожжевые клетки по-прежнему сохраняют отрицательный электрический заряд, то есть не достигают своей изоэлектрической точки, в то время как субмикронные частицы переходят через изоэлектрическую область значительно раньше и к концу процесса брожения несут положительный заряд, что в свою очередь способствует их адсорбции на клеточной поверхности.

Адсорбция субмикронных частиц на поверхности дрожжевых клеток во время ферментации сусла была подтверждена в работе (Афонин, Дедегкаев, Давыденко, Меледина, 2012). Помимо этого, был проанализирован химический состав адсорбированных на поверхности дрожжевых клеток частиц. Так, адсорбированные частицы на 71% состояли из полипептидной фракции, а на полифенолы и полисахариды приходилось 12% и 17% соответственно.

Заключение

Проблема коллоидной нестабильности пива может быть отчасти решена за счет адсорбционной способности дрожжевых клеток. В свою очередь, процесс сорбции положительно заряженных коллоидов пива на клеточной поверхности дрожжей, несущей отрицательный заряд, имеет электростатический характер. С учетом электростического характера адсорбционного взаимодействия, можно предположить, что увеличение количества извлекаемых в результате сорбции коллоидов может быть достигнуто путем увеличения отрицательного заряда клеточной поверхности дрожжей.

Электрический поверхностный заряд дрожжевой клетки обусловлен молекулярным составом и структурой клеточной стенки, главным образом ее

внешним маннопротеиновым слоем. В результате диссоциации функциональных групп, входящих в состав маннопротеинов (фосфатных и карбоксильных групп), клеточная стенка приобретает отрицательный электрический заряд, который может быть охарактеризован дзета-потенциалом или электрофоретической подвижностью, определяемых с использованием электрокинетических методов.

Исходя из представленных во втором разделе экспериментальных данных, могут быть сделаны некоторые выводы относительно связи поверхностного электрического заряда клеточной поверхности дрожжей и молекулярного состава внешнего слоя клеточной стенки. Во-первых, электрический заряд клеточной поверхности, охарактеризованный дзета-потенциалом или электрофоретической подвижностью, определяется концентрациями поверхностного фосфора и азота, а также их отношением. Во-вторых, молекулярный состав, а, следовательно, и концентрации указанных элементов во внешнем слое клеточной стенки, однозначно зависят от штаммовой принадлежности. Как правило, для штаммов низового брожения свойственны более высокие концентрации поверхностного фосфора и более низкие значения отношения N/P, обратное справедливо для верховых штаммов. В-третьих, отрицательный электрический заряд клеток низовых штаммов преимущественно обусловлен диссоциацией фосфатных групп фосфоманнана, а в случае верховых - диссоциаций карбоксильных групп и протонированием аминогрупп белковой фракции. Последнее справедливо главным образом для сред со значениями рН больше 4.

С другой стороны, физико-химические факторы внешней среды также влияют на поверхностный электрический заряд и обуславливают его. В ходе аналитического обзора было выявлено влияние на электрический заряд дрожжевых клеток таких факторов как рН, продолжительности процесса ферментации, аэрации сусла, внесения свободного фосфора в культуральную среду, начальной плотности сусла и числа циклов брожения. Согласно представленным данным, может быть сделан вывод о том, что путем варьирования и подбора упомянутых факторов возможно достичь увеличения отрицательного заряда клеточной поверхности дрожжей. Однако для подтверждения предположения об увеличении количества извлекаемых путем сорбции коллоидов за счет увеличения отрицательного заряда клеток требуются дальнейшие экспериментальные исследования данного вопроса.

Литература

Афонин Д.В., Дедегкаев А.Т., Давыденко С.Г., Меледина Т.В. Влияние процессов, протекающих при сбраживании сусла, на инициальную мутность пива // Пиво и напитки. 2012. № 1. С. 26-29.

Дедегкаев A.T. Повышение коллоидной стабильности пива с применением силикагеля и поливинилполипирролидона: автореф. на со-иск. ученой степ. канд. техн. наук: 05.18.07 - биотехнология пищевых продуктов и биологически активных веществ. СПб., 2005. 12 с. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. М.: Изд-во Высшая школа, 1990. 486 с. Михеева Е.В., Пикула Н.П. Определение электрокинетического потенциала методом электрофореза. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. 16 с. Aguilar-Uscanga B., Francois J.M. A study of the yeast cell wall composition and structure in response to growth conditions and mode of cultivation // Letters in applied microbiology. 2003. Vol. 37. No. 3. P. 268-274. https://doi.org/10.1046/j.1472-765X.2003.01394.x Amory D.E., Rouxhet P.G., Dufour J.P. Flocculence of brewery yeasts and their surface properties: chemical composition, electrostatic charge and hydrophobicity // Journal of the Institute of Brewing. 1988. Vol. 94. No. 2. Р. 79-84. https://doi. org/10.1002/j.2050-0416.1988.tb04561.x Asano K., Shinagawa K., Hashimoto N. Characterization of haze-forming proteins of beer and their roles in chill haze formation // Journal of the American Society of Brewing Chemists. 1982. Vol. 40. No. 4. P. 147-154. https://doi. org/10.1094/ASBCJ-40-0147 Bamforth C.W. Beer haze // Journal of the American Society of Brewing Chemists. 1999. Vol. 57. No. 3. P. 81-90. https://doi.org/10.1094/ASBCJ-57-0081 Beavan M.J., Belk D.M., Stewart G.G., Rose A.H. Changes in electrophoretic mobility and lytic enzyme activity associated with development of flocculating ability in Saccharomyces cerevisiae // Canadian Journal of Microbiology. 1979. Vol. 25. No. 8. P. 888-895. https://doi.org/10.1139/m79-132 Bowen W.R., Cooke R.J. Studies of Saccharomyces cerevisiae during Fermentation - an in vivo electrokinetic investigation // Biotechnology and Bioengineering. 1989. Vol. 33. P. 706-715. https:// doi.org/10.1002/bit.260330608 Bowen W.R., Sabuni H.A., Ventham T.J. Studies of the Cell-Wall Properties of Saccharomyces cerevisiae during Fermentation // Biotechnology

and Bioengineering. 1992. Vol. 40. P. 1309-1318. https://doi.org/10.1002/bit.260401104 Bowen W.R., Ventham T.J. Aspects of yeast flocculation. Size distribution and zeta-potential // Journal of the Institute of Brewing. 1994. Vol. 100. No. 3. P. 167-172. https://doi. org/10.1002/j.2050-0416.1994.tb00817.x Caridi A. Enological functions of parietal yeast mannoproteins // Antonie van Leeuwenhoek. 2006. Vol. 89. P. 417-422. https://doi.org/10.1007/ s10482-005-9050-x Chapon L. The mechanics of beer stabilization // Brew.

Guard. 1994. Vol. 123. No. 12. P. 46-50. Dengis P.B., Nelissen L.R., Rouxhet P.G. Mechanisms of Yeast Flocculation: Comparison of Top and Bottom-Fermenting Strains // Applied and environmental microbiology. 1995. Vol. 61. No. 2. P. 718-728. https://aem.asm.org/content/6y2/718 Dengis P.B., Rouxhet P.G. Surface Properties of Top - and Bottom-Fermenting Yeast // Yeast. 1997. Vol. 13. P. 931-943. https://doi.org/10.1002/ (SICI)1097-0061(199708)13:10%3C931::AID-YEA149%3E3.0.C0;2-T Echeverrigaray S., Scariot F.J., Menegotto M., Delamare A.P.L. Anthocyanin adsorption by Saccharomyces cerevisiae during wine fermentation is associated to the loss of yeast cell wall/membrane integrity // International journal of food microbiology. 2020. Vol. 314. P. 108383. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2019.108383 Cecchini F., Morassut M., Saiz J.C., Garcia-Moruno E. Anthocyanins enhance yeast's adsorption of Ochratoxin A during the alcoholic fermentation // European Food Research and Technology. 2019. Vol. 245. No. 2. P. 309-314. https://link.springer. com/article/10.1007%2Fs00217-018-3162-9 Friis J., Ottolenghi P. The genetically determined binding of alcian blue by a minor fraction of yeast cell walls // Comptes-rendus des travaux du Laboratoire Carlsberg. 1970. Vol. 37. No. 15. P. 327. https://www.yeastgenome.org/reference/ S000057170

Jigami Y., Odani T. Mannosylphosphate transfer to yeast mannan // Biochimica et Biophysica Acta. 1999. Vol. 1426. P. 335-345. https://doi. org/10.1016/S0304-4165(98)00134-2 Klis F.M., Mol P., Hellingwerf K., Brul S. Dynamics of cell wall structure in Saccharomyces cerevisiae // FEMS microbiology reviews. 2002. Vol. 26. No. 3. P. 239-256. https://doi. org/10.1111/j.1574-6976.2002.tb00613.x Klis F.M., Boorsma A., De Groot P.W.J. Cell wall construction in Saccharomyces cerevisiae // Yeast. 2006. Vol. 23. P. 185-202. https://doi.org/10.1002/ yea.1349

Leiper K.A., Stewart G.G., McKeown I.P. Beer

polypeptides and silica gel Part I. Polypeptides involved in haze formation // Journal of the Institute of Brewing. 2003. Vol. 109. No. 1. P. 5772. https://doi.org/10.1002Zj.2050-0416.2003. tb00594.x

Leiper K.A., Stewart G.G., McKeown I.P., Nock T., Thompson M.J. Optimising beer stabilisation by the selective removal of tannoids and sensitive proteins // Journal of the Institute of Brewing. 2005. Vol. 111. No. 2. P. 118-127. https://doi. org/10.1002/j.2050-0416.2005.tb00657.x Lipke P.N., Ovalle R. Cell wall architecture in yeast: new structure and new challenges // Journal of bacteriology. 1998. Vol. 180. No. 15. P. 3735-3740. https://jb.asm.org/content/180/15/3735 Lubbers S., Charpentier C., Feuillat M., Voilley A. Influence of yeast walls on the behavior of aroma compounds in a model wine // American Journal of Enology and Viticulture. 1994. Vol. 45. No. 1. P. 2933. https://www.ajevonline.org/content/45/1/29 Mastanjevic K., Krstanovic V., Lukinac J., Jukic M., Vulin Z., Mastanjevic K. Beer - The Importance of Colloidal Stability (Non-Biological Haze) // Fermentation. 2018. Vol. 4. No. 4. P. 91. https://doi. org/10.3390/fermentation4040091 Morata A., Loira I., Suarez Lepe J.A. Influence of yeasts in wine colour // A. Morata, I. Loira, Eds. Grape and Wine Biotechnology. Croatia: InTech, 2016. P. 285-305. https://doi.org/10.5772/65055 Mozes N., Schinckus L.L., Ghommidh C., Navarro J.M., Rouxhet P.G. Influence of medium composition on surface properties and aggregation of a Saccharomyces cerevisiae strain // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 1994. Vol. 3. No. 1-2. P. 63-74. .https://doi.org/10.1016/0927-7765(93)01113-6 Odani T., Shimma Y.I., Wang X.H., Jigami Y. Mannosylphosphate transfer to cell wall mannan is regulated by the transcriptional level of the MNN4 gene in Saccharomyces cerevisiae // FEBS letters. 1997. Vol. 420. No. 2-3. P. 186-190. https:// doi.org/10.1016/S0014-5793(97)01513-5 Orlean P. Architecture and Biosynthesis of the Saccharomyces cerevisiae Cell Wall // Genetics.

2012. Vol. 192. No. 3. P. 775-818. https://doi. org/10.1534/genetics.112.144485

Patel J.K., Speers R.A., Lake J.C. Colloidal examination of worts associated with premature yeast flocculation // Journal of the American Society of Brewing Chemists. 2011. Vol. 69. No. 2. P. 81-90. https://doi.org/10.1094/ASBCJ-2011-0225-01 Piotrowska M., Nowak A., Czyzowska A. Removal of ochratoxin A by wine Saccharomyces cerevisiae strains // European food research and technology.

2013. Vol. 236. No. 3. P. 441-447. https://doi. org/10.1007/s00217-012-1908-3

Robinson A., Harrison S.T. Effect of aeration in propagation on surface properties of brewers' yeast // A. Durieux, J.P. Simon, Eds. Applied Microbiology. Dordrecht: Springer, 2001. Vol. 2. P. 89-99. https://doi.org/10.1007/0-306-46888-3_6 Razmkhab S., Lopez-Toledano A., Ortega J.M., Mayen M., Merida J., Medina M. Adsorption of phenolic compounds and browning products in white wines by yeasts and their cell walls // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2002. Vol. 50. No. 25. P. 7432-7437. https://doi.org/10.1021/ jf025733c

Siebert K.J., Troukhanova N.V., Lynn P.Y. Nature of

polyphenol-protein interactions // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1996. Vol. 44. No. 1. P. 80-85. https://doi.org/10.1021/jf9502459 Steiner E., Becker T., Gastl M. Turbidity and haze formation in beer - Insights and overview // Journal of the Institute of Brewing. 2010. Vol. 116. No. 4. P. 360-368. https://doi. org/10.1002/j.2050-0416.2010.tb00787.x Vu D.L., Sys M., Cervenka L. The Effect of Various Potentials on the Attachment of Saccharomyces Cerevisiae and Staphylococcus Epidermidis to Carbon Paste Electrodes // Int. J. Electrochem. Sci. 2011. Vol. 6. P. 5265-5274.

doi: https://doi.org/10.36107/spfp.2020.246

Factors Affecting the Electric Charge of Yeast Cells Saccharomyces Cerevisiae

Tatiana V. Meledina

ITMO University