CC BY
57
Повышение биотехнологических свойств пивных дрожжей
Ю.И. Шишков, С.С. Айвазян
ГУ ВНИИпивобезалкогольной и винодельческой промышленности (Москва)
Дрожжи имеют отличительные особенности, состоящие в необычной зависимости регуляции биохимических процессов от условий их культивирования, связанной прежде всего с составом питательной среды. В цитируемой работе доказано, что внешние условия определяют химический состав дрожжевых клеток, который, в свою очередь, обусловливает их биохимическую функцию. Эти функции в конечном итоге определяются ферментами, их биосинтезом и уровнем каталитического действия.
Учитывая имеющиеся данные о прямой связи между интенсивностью брожения и биотехнологическими свойствами дрожжей, предопределяемых их физиолого-биохимической активностью, в работах [2] было исследовано влияние металлоорганических соединений М£, Мп, Fe, Zп, Си, Со на биосинтез дрожжами внутриклеточных ферментов и уровень каталитической активности этих функциональных белков. Приведенные в данных работах экспериментальные факты убедительно доказывают, что приготовленные по способу [3] биотрансформируемые соединения указанных металлов являются биогенетическими предшественниками активных групп внутриклеточных ферментов, именуемые в дальнейшем витацитами. Влияние витацитов на клеточный метаболизм состоит в том, что эти модуляторы активных центров ферментов при добавлении в пивное сусло изменяют интенсивность его сбраживания. На основе экспериментальных данных автор цитируемых работ пришел к выводу, что увеличение интенсивности сбраживания сусла витацитами связано с их позитивным влиянием на физиолого-биохимиче-скую активность дрожжей, от которой непосредственно зависят продуктивность и биотехнологические свойства дрожжей.
Поскольку изложенный материал имеет определенный интерес в аспекте технологии приготовления продуктов брожения, проиллюстрируем сказанное на конкретном примере. Так, в приводимых в работе [2] экс-
периментах было зафиксировано, что при выращивании дрожжей на средах, в которых неорганические соли металлов заменены на такую же дозу металлоорганических соединений, скорость роста дрожжей существенно увеличилась. Так, если средняя скорость роста дрожжей, выращенных на среде с витацитами, составляла 0,225 г/ч, то в контроле — 0,163 г/ч. Другое подтверждение повышения физиолого-биохимической активности дрожжей в проводимом эксперименте — увеличение интенсивности образования такого важного промежуточного метаболита, как пировиноградная кислота, уровень содержания которой в дрожжах увеличился под влиянием витацитов приблизительно на 15 %. При этом увеличился выход СО2 на 31,5 % по сравнению с контролем, что свидетельствует о росте мальтаз-ной и зимазной активности. Прямое определение их активности газометрическим способом по методике Пле-вако и Бакушинской (1964) показало, что у опытных дрожжей мальтазная и зимазная активности были соответственно 48 и 59 мин, в контроле — 72 и 90 мин.
Для понимания всей сложности происходящих в клетке процессов, приводящих к повышению ее физиоло-го-биохимической активности под влиянием на нее витацитов, наибольший интерес представляет изучение активности митохондриальных ферментов опытных и контрольных дрожжей. Прямые опыты по определению влияния витацитов на митохондрии дрожжевых клеток в экспоненциальной фазе роста показали, что следствием воздействия на них этих соединений являются увеличение концентрации митохондриальных ферментов и изменение уровня их каталитического действия. Количество ферментов увеличилось незначительно, в то время как активность повысилась существенно. Например, активность ферментов цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) под влиянием витацитов увеличилась в интервале от 29 до 58 %, а их количество — только на 13-16 %. Такое
3•2006
22
же явление наблюдалось у ферментов дыхательной цепи, сопряженной с ЦТК. Так, количество цитохромов увеличилось на 5-8 %, но при этом был зарегистрирован рост дыхательного коэффициента с 0,82 до 1,0, что указывает на повышение активности окислительно-восстановительных ферментов дыхательной цепи [2, 4].
Увеличение активности ферментов ЦТК и сопряженной с ним дыхательной цепи должно коррелировать с ростом выработки АТФ, используемой организмом для осуществления большинства клеточных процессов, протекающих с затратой энергии, т.е. для обеспечения различных физиологических видов работ. Под влиянием витацитов энергизация митохондрий возросла на 19-26 % по сравнению с энергетическим состоянием митохондрий дрожжей в контроле. Повышение уровня энергизации клеток характеризует сбалансированность катаболизма и анаболизма, энергетического и конструктивного обменов. В итоге это выразилось в увеличении продуктивности дрожжей приблизительно на 38 %.
При воздействии витацитов на клетки изменяется активность ферментов, существенно влияющих на их биотехнологические свойства. При выяснении механизма изменения активности ферментов под влиянием витацитов автором работы [6] за основу исследований был принят широко известный факт, что межмолекулярные силы, определяющие взаимодействие молекул, несмотря на различную классификацию, по своей природе являются электростатическими и определяются внешними электронными облаками. Органические соединения биогенных металлов имеют электронную структуру, свойственную для каждого состава молекулы. Взаимодействие электронных облаков молекул белков и металлоорганических соединений приводит к формированию ферментов с новой стереоэлектронной структурой, которая обусловливает значительные конформационные изменения как в белковой их части фермента, так и в активных его центрах, включающих эти соединения. Стереоэлектрон-ные и конформационные изменения в структуре белка фермента и его активного центра имеют непосредственное значение для активности функционального белка. В конкретном случае это отразилось на повышении уровня каталитического действия внутриклеточных ферментов при действии вита-цитов на клетки.
Последующее изучение механизма влияния витацитов на повышение физиолого-биохимической активности дрожжей было направлено в сторону
исследования изменения химического состава клеток. Под влиянием вита-цитов изменение химического состава клеток четко проявляется в изменении количества и состава липидов [2-6]. Под воздействием этих модуляторов активных центров ферментов в дрожжах увеличилось содержание липидов приблизительно на 34 % по сравнению с контролем. При этом большое принципиальное значение имеет тот факт, что витациты усилили биосинтез липидов с ненасыщенными жирнокислотными радикалами, от которых существенно зависит жизнеспособность клетки. Так, у опытных дрожжей количество липидов с ненасыщенными жирнокислотными радикалами по отношению к липидам с насыщенными жирными кислотами составляло 5,4:1, в контроле — 4:1.
Изменение количества и состава липидов, локализованных главным образом в клеточных мембранах, приводит в действие цепь кооперативных процессов, связанных с физиологическими процессами и биохимическими реакциями клетки, например меняется интенсивность массообмена, а следовательно, скорость ее роста.
Витациты улучшают биотехнологические свойства дрожжей, что приводит к более глубокому выброду сусла и улучшению физико-химических показателей пива. Эта точка зрения подтверждается результатами опытно-промышленного приготовления пива, проводимого с использованием дрожжей Saccharomyces carlbergien-sis, раса S-Львовская, выращенных на 12%-ном сусле с витацитами. Их добавляли в сусло в дозе, соответствующей количеству биогенных металлов в стандартных питательных средах, используемых для выращивания дрожжей. Контролем служили дрожжи, выращенные в отсутствие витацитов. Результаты этого промышленного эксперимента сведены в таблицу [2].
Обобщая изложенный материал, можно сделать вывод, что витаци-ты служат действующим фактором регулирования биотехнологических свойств дрожжей, которые при спиртовом брожении усиливают катализ биохимических превращений, приводящих в конечном счете к улучшению физико-химических показателей конечного продукта.
Анализ данных [6,7] свидетельствует также о том, что производное селеноцистеина влияет на дрожжевую клетку подобно рассмотренным металлоорганическим соединениям. Производное селеноцистеина также включается в процесс формирования активного центра глутатионперокси-дазы, ключевого фермента антиокси-дантного ряда организма.
В настоящее время селен в научной литературе рассматривается как перспективный экзогенный пищевой хемипревентор. Для определения эффективности действия биотрансфор-мируемых соединений селена на эука-риотические клетки в качестве объекта исследований были использованы вышеназванные пивные дрожжи [6, 7], которые выращивали на 12%-ном пивном сусле с различными добавками соединений селена: селената натрия, аскорбата селена, цитрата селена и производного селеноцистеина. Их влияние на дрожжи исследовали в интервале концентрации от 2 до 80 мкг/л (дано по селену). Во всех экспериментах в 12%-ное пивное сусло вносили ино-кулят дрожжей в количестве 5 % от объема питательной среды. Дрожжи культивировали в качалочных колбах на качалке при 220 мин-1. Продолжительность выращивания дрожжей — 18 ч при температуре 25±1°С. Влияние соединений селена на продуктивность дрожжей определяли измерением количества клеток в культуральной жидкости после их выращивания.
Продуктивность дрожжей зависела не только от количества вносимого в сусло соединения селена, но и от состава его молекулы [7]. Все исследованные соединения селена (за исключением производного селеноцистеина) по сравнению с контролем повышают накопление биомассы в культураль-ной жидкости на 4-5 % при внесении их в сусло оптимальной концентрации, равной 20 мкг/л. Количество клеток в культуральной жидкости в контроле — 175 млн на 1 мл.
Влияние производного селено-цистеина при обогащении сусла на дрожжи имело более выраженный характер и проявлялось в интервале концентраций от 2 до 80 мкг/л, при которых накопление биомассы было
в пределах от 181 до 183 мкг/л. Зависимость выхода биомассы от концентрации селена, как и других микроэлементов, носит экстремальный характер. Выращивание дрожжей при оптимальной концентрации производного селеноцистеина в сусле, равной 65 мкг/л, количество клеток в культуральной жидкости достигало 211 млн на 1 мл, т.е. по отношению к контролю оно увеличилось приблизительно на 21 %. Таким образом, производное селеноцистеина через влияние на активность глутатионпероксидазы, у которой активный центр представляет собой селеноцистеин, ограничивает скорость образования свободных радикалов и разветвление цепи окисления липидов, приводя их в пределы физиологической нормы.
Таким образом, обогащая питательные среды для выращивания дрожжей предшественниками активных центров ферментов, можно получить посевной материал с улучшенными биотехнологическими свойствами вследствие содержания в них ферментов с высоким уровнем каталитического действия и повышенного содержания липидов, особенно липидов с ненасыщенными жирнокислотными радикалами. Ведение процесса брожения с этими дрожжами позволяет, с одной стороны, получать конечный продукт с улучшенными качественными показателями, а с другой — увеличивается выход биомассы, которая в качестве корма для сельскохозяйственных животных обладает как высокой питательной, так и биологической ценностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. КоноваловС.А. Биохимиядрожжей. — М.:Пи-щевая промышленность, 1980. С. 241—245.
2. Шишков Ю.И., Плахов С.А. Увеличение фи-зиолого-биохимической активности посевных дрожжей//Пиво и напитки. 2002. № 3. С. 14-19.
3. Шишков Ю.И. Аквахелат, способ получения аквахелата, способ модуляции характеристики культуры клеток, культуры ткани, одноклеточного и многоклеточного организма и транспортная система. Патент 2115657 РФ.
4. Шишков Ю.И. Хемиопревенторы в продуктах функционального питания//Пиво и напитки. 2002. № 5. С. 4-28; 2002. № 6. С. 26-28
5. Шишков Ю. И. Позитивные действия модуляторов биологических эффектов//Пиво и напитки. 2004. № 2. С. 46-50.
6. Шишков Ю. И. Способ увеличения биологической ценности продуктов питания. Патент 2266683 РФ.
7. Шишков Ю.И., Плахов С.А., Лазарев В.Н., Ружицкий А.О. Селен — хемиопревентор в продуктах питания, пиве и напитках // Пиво и напитки. 2002. № 2. С. 38-11. &
Физико-химические Количественные значения
показатели пива Контроль Опыт
Экстрактивность начального сусла, %% 12,1 12,1
рН сусла 5,3 5,3
рН пива 4,4 4,3
Массовая доля
сухих веществ в молодом пиве (по сахарометру), %% 3,8 3,7
Степень сбраживания, %% 76 77,5
Объемная доля спирта, %% 4,3 4,4
Содержание диацетила, мг/100 мл 0,021 0,018
Массовая доля СО2, %% 0,39 0,42
Высота пены, см 5,7 6,0
Пеностойкость, мин 4,8 5,1
Стойкость пастеризованного 180 180
пива, сут
3 • 2006
23
