Выделение чистых культур дрожжевых грибов из шишек хмеля

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

Факультет биотехнологии и стандартизации

Кафедра биологической и химической технологии

Выпускная квалификационная работа

На тему

«Выделение чистых культур дрожжевых грибов из шишек хмеля»

Дипломник: Руководитель и ответственный

за нормоконтроль на соответствие

стандарта, к. к.с.- х.н., ст.преп.

Консультанты:

по экономическим вопросам, к.э.н.

доцент

по охране труда, доцент

по охране окружающей среды, доцент

2009г.

Оглавление

Введение

1 Глава Обзор литературы

1. История применения дрожжей

1.2 Традиционные биохимические процессы, протекающие с применением дрожжей

1.3 Дрожжи в современной биотехнологии

1.4 Систематика дрожжей

2 Общая характеристика хмеля

3 Выделение чистых культур дрожжевых грибов

2 Глава Собственные исследования

Схема направления исследования

2.1 Материалы и методы исследований

2.2 Подготовка питательной среды

2.3 Выделение дрожжей

2.4 Определение видовой принадлежности

2.5 Обсуждение результатов

Глава 3 Экономическая эффективность

Глава 4 Экологическая безопасность

Глава 5 Безопасность жизнедеятельности

Список литературы

Приложения

Введение

Чтобы описать сущность и перспективы развития науки о дрожжах - зимологии, следует в первую очередь дать определение самому объекту этой науки - дрожжевым организмам. Казалось бы, вопрос о том, что такое дрожжи, весьма простой: о дрожжах знает каждый, без них не приготовить кислого теста, вина, пива. И все же дать научное определение дрожжам и четко очертить границы этой группы микроорганизмов становится все труднее по мере расширения наших знаний об этих микроскопических существах, которые включают в царство Mycota.

То, что дрожжи - это грибы, стало понятным уже с начала первых научных описаний этих организмов, сделанных в первой половине прошлого века. Несмотря на одноклеточное строение, внешне более сходное с крупными бактериями, чем с мицелиальными грибами, дрожжи по ультраструктурной организации клетки и способам бесполого и полового размножения сразу же были отнесены к грибам. Однако изучали их, как правило, не микологи, а микробиологи. Причина этого заключается в том, что рост дрожжей на плотных средах очень сходен с бактериальным. Кроме того, человека всегда привлекало свойство дрожжей вызывать спиртовое брожение, и, следовательно, в работе с дрожжами преобладали физиолого-биохимические подходы и методы. Микологи же исторически были связаны с ботаниками, так как долгое время грибы считали низшими растениями, и поэтому в основе их изучения всегда были методы описательной морфологии, а не физиологии. Все это привело к тому, что дрожжи были искусственно оторваны от всех остальных грибов, и хотя им «повезло», что они были объектами работ таких корифеев микробиологии, как Луи Пастер, А. Клюйвер, Г. Надсон, в таксономическом отношении были допущены серьезные ошибки, которые и в наше время исправлять не просто. Под сильным влиянием бродильных свойств некоторых видов дрожжей, эту группу организмов долгое время ограничивали одноклеточными грибами, которые образуют аскоспоры и способны вызывать спиртовое брожение. Все другие грибы с одноклеточной стадией в жизненном цикле называли дрожжеподобными грибами. Только в самом конце XX в. наука о дрожжах полностью вернулась в микологию, а представление об объектах зимологии значительно расширилось.

Сейчас к дрожжам принято относить все те грибы, которые способны вегетативно размножаться в одноклеточной форме, независимо от того, имеют ли они мицелиальную фазу в жизненном цикле и родственны аскомицетовым или базидиомицетовым грибам. Среди дрожжей сейчас рассматривают даже гаплоидные одноклеточные стадии таких грибов, которые образуют макроскопические плодовые тела. При таком понимании дрожжей, их границы с мицелиальными грибами становятся расплывчатыми, а классификация сливается с общей системой грибов.

В связи с новым подходом к трактовке группы дрожжей существенно расширяется и поиск среди них тех биологических способностей, которые могут быть полезными для человека. Наряду с традиционными процессами использования дрожжей в бродильных производствах, в пищевой промышленности и для получения кормовых препаратов на разных источниках сырья, разрабатываются новые пути применения дрожжей для синтеза многих ценных веществ, таких как полисахариды, ферменты и коферменты, микоцины, витамины, органические кислоты, полиолы, каротиноиды и многие другие соединения. Дрожжи используются как векторные системы при разработке биотехнологических процессов производства инсулина, интерферона, гетерологичных белков.

По-новому следует оценивать и роль дрожжей в природных экосистемах. Например, считавшиеся долго безвредными комменсалами многие эпифитные дрожжи, обильно обсеменяющие зеленые части растений, могут оказаться не такими уж «невинными», если учесть, что они представляют собой лишь гаплоидную стадию в жизненном цикле организмов, близко родственных фитопатогенным головневым или ржавчинным грибам. И, наоборот, патогенные для человека дрожжи, вызывающие опасные и трудноизлечимые болезни - кандидоз и криптококкоз - в природе имеют сапротрофную стадию и легко выделяются из мертвых органических субстратов. Из этих примеров видно, что для понимания экологических функций дрожжей необходимо изучение полных жизненных циклов каждого вида. Обнаружены и автохтонные почвенные дрожжи с особыми функциями, важными для образования почвенной структуры. Неисчерпаемы по многообразию и связи дрожжей с животными, особенно с беспозвоночными.

В связи с тем, что дрожжи имеют большое значение в современной биотехнологии, весьма актуальными представляются исследования в направлении поиска штаммов с новыми экономически привлекательными свойствами. Таким образом, целью нашей работы явилось выделение чистой культуры дрожжевых грибов из шишек хмеля.

Для достижения поставленной цели нами решались следующие задачи.

1. Составление методики исследований.

2. Подготовка элективных петельных сред.

3. Выделение чистой культуры дрожжей.

4. Определение видовой принадлежности выделенных дрожжей.

5. Обсуждение полученных нами результатов.

1 Глава. История применения дрожжей

Дрожжи были первыми микроорганизмами, которые человек стал использовать для удовлетворения своих потребностей. Основное свойство дрожжей, которое всегда было привлекательным для человека - это способность к образованию довольно больших количеств спирта из сахара. Первое упоминание о получении спиртных напитков в Египте, так называемой «бузы», представляющей собой разновидность пива, относится к 6000 г. до н. э. Этот напиток получали в результате сбраживания пасты, полученной при раздавливании и растирании проросшего ячменя. Приготовление бузы можно считать рождением современного пивоварения. Из Египта технология пивоварения была завезена в Грецию, а оттуда в Древний Рим. В этих же странах активно развивалось виноделие. Крепкие спиртные напитки, полученные перегонкой бражки, по-видимому, были впервые получены в Китае около 1000 г. до н. э. В Европу процесс производства спирта был завезен значительно позже. Известно, что получение виски было налажено в Ирландии в XII в. Сейчас промышленное производство спиртных напитков существует в большинстве стран мира и представляет собой крупную отрасль промышленности. (Бабьева И.П., Голубев В. И.)

Другая группа процессов, в которых издавна используются дрожжи, также связана с их способностью к спиртовому брожению: образование углекислого газа под действием дрожжей - важнейший этап в приготовлении хлеба, приводящий к заквашиванию теста. Этот процесс также очень древний. Уже к 1200 г. до н. э. в Египте была хорошо известна разница между хлебом из кислого и пресного теста, а также польза от применения вчерашнего теста для заквашивания свежего. (Бабьева И.П., Голубев В. И.)

1.2 Традиционные биохимические процессы, протекающие с применением дрожжей

Виноделие, пивоварение и хлебопечение существуют уже несколько тысячелетий. Естественно, что за это время были отселекционированы сотни видов заквасок, которые используются для приготовления самых различных сортов вина и пива. Однако лишь в начале XIX в. были высказаны предположения, что за спиртовое брожение, вызываемое этими заквасками, ответственны присутствующие в них дрожжи. Увиденные впервые в 1680 г. Антони ван Левенгуком. Эти дрожжи были описаны в 1837 г. Мейеном, который дал им название Saccharomyces. Окончательным доказательством роли дрожжей в сбраживании сахаров считается работа Пастера, опубликованная им в 1866 г. К концу ХIХ в. стало известно, что сахаромицеты, выделенные из различных заквасок и различных сортов вина и пива, различаются по физиологическим свойствам, например, по способности к сбраживанию различных сахаров. В дальнейшем на основании таких физиологических различий в роде Saccharomyces было описано несколько десятков видов. Однако, в последние годы методами молекулярной и генетической таксономии было показано, что большинство этих «видов» на самом деле представляют собой различные физиологические расы нескольких близких биологических видов, главным образом Saccharomyces cerevisiae. Это такие «виды», как, например, Saccharomyces vini, Saccharomyces ellipsoides, Saccharomyces oviformis, Saccharomyces cheresiensis, Saccharomyces chevalieri и десятки других, которые сейчас переведены в разряд синонимов Saccharomyces cerevisiae. Большинство этих «видов» - это отселекционированные веками расы - такой же продукт человеческой деятельности, как сорта культурных растений. В природе их найти иногда просто невозможно. Однако, недавно Г.И.Наумов обнаружил, что дикие популяции Saccharomyces cerevisiae распространены на Дальнем Востоке в сокотечениях дуба. Он предположил, что Дальний Восток - центр видообразования этих дрожжей. Кроме Saccharomyces cerevisiae в природных местообитаниях обнаружены еще несколько очень близких видов-двойников: Saccharomyces bayanus, Saccharomyces paradoxus и Saccharomyces cariocanus, Saccharomyces kudriavzevii, Saccharomyces mikatae, а также их межвидовые гибриды. (http://soil.msu.ru/soilyeasts/genera/Naumov.htm).

Кроме вина и пива, ставшими наиболее популярными, в мире производится множество разнообразных традиционных алкогольных напитков: сакэ на Востоке, текила в Южной Америке, помбе в Африке и т.д. Они различаются по типу исходного сырья, способами осахаривания полисахаридов, видами добавок. В некоторых случаях для сбраживания используются виды дрожжей, отличные от Saccharomyces cerevisiae. При производстве рома, например, применяются дрожжи из рода Schizosaccharomyces. (Соловьёва О.И.).

Дрожжи используются также при изготовлении множества других традиционных пищевых продуктов. Например, специальные расы дрожжей входят в состав заквасок, использующихся для приготовления кефира. Дрожжи применяются в сыроварении при получении некоторых сортов сыра. В Восточной Азии широко распространены многочисленные закваски для получения разнообразных традиционных соусов, в состав которых входят специфические виды дрожжей, не встречающиеся в других местообитаниях. В быту большую популярность получил «чайный гриб» - специфическая бактериально-дрожжевая ассоциация, с помощью которой получают легкий, освежающий напиток. ( Коновалов С.А.).

На протяжении нескольких тысяч лет человечество совершенствовало технологии изготовления вина, пива и хлеба и других продуктов, получаемых с помощью дрожжей, доводя их до уровня искусства и получая все более изысканные продукты. Новый этап в развитии бродильных процессов начался после работ Пастера, Коха и других корифеев микробиологии, которые ввели в практику метод чистых культур. Тем не менее, до конца ХIХ в. дрожжи применялись лишь в виноделии, пивоварении и хлебопечении. Двадцатый век с его безудержным развитием промышленности резко расширил и области применения дрожжей. Они стали выращиваться в больших масштабах в качестве источника белка и витаминов для сельскохозяйственных животных. Дрожжи - основной источник технического этанола. С помощью дрожжей сейчас получают большой спектр соединений, использующихся в разных областях человеческой деятельности. К ним относятся витамины, различные полисахариды, липиды, которые могут служить заменителями растительных масел, разнообразные ферменты, используемые в пищевой промышленности. Развитие генетической инженерии позволило использовать легко культивируемые дрожжи для получения многих полезных веществ животной и растительной природы, например инсулина.( Жвирблянская А.Ю., Исаева В.С.).

В основе получения вина лежит сбраживание фруктозы и глюкозы виноградного сока с образованием этилового спирта. Собранный виноград давят и получают так называемое виноградное сусло, или муст, в котором содержится 10-25% сахара. При производстве красного вина кожица и косточки винограда остаются в соке в течение всего процесса брожения, тогда как для приготовления белых вин их удаляют после раздавливания ягод и сбраживается только сок. В традиционных процессах приготовления вина сбраживание муста ведется с помощью дрожжей, присутствующих на винограде. При этом в брожении участвует множество видов дрожжей, сменяющих друг друга, такие как Hanseniaspora, Brettanomyces, Saccharomyces. В современном виноделии для сбраживания в основном используют чистые культуры специальных рас сахаромицетов. При этом присутствующие в сусле «дикие» дрожжи сначала убивают, обычно пропуская через муст двуокись серы. После окончания брожения молодое вино необходимо осветлить и дать ему созреть. Эти процессы для высококачественных вин могут занимать несколько лет. В процессе созревания вина происходит рост бактерий, которые удаляют из него яблочную кислоту, а также различные биохимические изменения, которые улучшают вкусовые качества вина. (Г.Г. Валуйко и В.Т. Косюры).

При производстве некоторых сортов вин в качестве исходного сырья используется не виноградный сок, а уже готовое вино. Такое, так называемое вторичное виноделие, включает процессы дображивания и модификации вин с использованием специальных рас дрожжей. К наиболее известным продуктам вторичного виноделия относятся шампанские вина. Шампанское получают из смеси вин (купажа), в которую добавляют сахар и дрожжи, после чего выдерживают в замкнутом объеме для вторичного брожения (шампанизации). Традиционные процессы шампанизации проводятся в бутылках, на крупных заводах - в больших емкостях. При шампанизации происходит растворение и химическое связывание образующейся углекислоты, которая при открывании бутылки в результате перепада давления освобождается и придает вину неповторимую игристость. (Ж. Риберо-Гайон, Э. Пейно, П. Риберо-Гайон, П. Сюдро.)

Дрожжи вносят в производство вина двойной вклад: они ответственны за образования этанола в напитке, а также за накопление в нем множества вторичных соединений, от которых зависит его вкус и аромат. Такие соединения называются органолептическими. Часть из них образуется непосредственно в ходе брожения, часть - при химических превращениях компонентов вина в ходе его созревания. В винах обнаружены сотни органолептических соединений. Многие из них присутствуют в очень малых количествах и с трудом поддаются идентификации. Еще сложнее определить вклад всех этих соединений в окончательный букет вина, поскольку для каждого вещества характерна своя концентрация, при которой его присутствие можно уловить с помощью обоняния (так называемый порог запаха). (Фертман Г.И., Шойхет М.И.).

Технология приготовления пива включает несколько этапов. Пиво производят из зерна, которое в отличие от винограда содержит в основном крахмал, плохо усваиваемый дрожжами. Поэтому перед сбраживанием этот крахмал необходимо осахарить (гидролизовать). Традиционно в различных странах для производства пива использовали различные виды зерновых: в Европе - ячмень, в Азии - рис, в Америке - кукурузу. При осахаривании ячменя обычно пользуются амилазами самого ячменя, которые образуются в большом количестве при прорастании зерна. Для гидролиза рисового крахмала на Востоке традиционно используют некоторые штаммы мицелиальных грибов (Mucor, Aspergillus). Проросший и высушенный ячмень (так называемый солод) затем высушивают в печи. При этом в результате карамелизации сахаров образуются окрашенные соединения, которые придают пиву характерный цвет. Высушенный солод размалывают, смешивают с водой и варят, в результате чего получается так называемое пивное сусло. В результате всех этих процессов часть крахмала исходного зерна гидролизуется до мальтозы, глюкозы и других сахаров, другая часть, фракция декстринов, не расщепляется и поэтому не утилизируется дрожжами и остается без изменений в течение всего последующего процесса брожения. Концентрация декстринов обусловливает плотность пива (светлое или темное). После осахаривания зерно высушивают, размалывают, кипятят, фильтруют. В процессе варки сусла в него обычно добавляют хмель, придающий пиву характерный горьковатый привкус. Полученное пивное сусло сбраживают чистыми культурами дрожжей Saccharomyces cerevisiae. (Г.И. Фертман М.И., Шойлет М.)

В пивоварении различают два типа брожения: верховое (теплое) и низовое (холодное). Вызывающие их дрожжи различаются рядом свойств и ранее рассматривались как различные виды: верховые Saccharomyces cerevisiae и низовое Saccharomyces carlsbergensis. Дрожжи низового брожения функционируют при температуре 6-10°C, в то время как верховое брожение протекает при 14-25°C. В конце брожения низовые дрожжи оседают на дно сосуда, образуя плотный осадок, а верховые дрожжи всплывают на поверхность, образуя так называемую «шапку». Подъем дрожжей верхового брожения на поверхность обусловлен более интенсивным брожением, при котором образуются пузырьки углекислого газа, поднимающие дрожжевые клетки. (Довгань В.Н. ).

Важное технологическое свойство дрожжей, используемых в пивоварении - так называемая флоккуляционная способность. Флоккуляция - слипание клеток друг с другом на заключительных стадиях брожения, в результате чего образуются хлопья, быстро оседающие на дно сосуда. От флоккуляционной способности дрожжей в значительной степени зависят степень сбраживания сусла, осветление пива и количество собранных дрожжей в конце брожения. Для максимального превращения сахара в этанол необходимо, чтобы дрожжи оставались суспендированными в бродящей жидкости. С другой стороны, флоккуляция дрожжей после того, как брожение закончилось или достигло желаемой стадии, очень облегчает удаление дрожжей из напитка. Другими словами, дрожжи должны флоккулировать только на определенной стадии брожения. Хотя важность процесса флоккуляции в изготовлении алкогольных напитков была оценена уже более ста лет назад, физиологический механизм этого явления был изучен лишь в последние десятилетия. В слипании клеток участвуют присутствующие в растворе ионы двухвалентного кальция, взаимодействующие с карбоксильными и фосфодиэфирными группами на поверхности клеточных стенок дрожжей. (Главачек Ф., Лхотский А.).

Все дрожжи, которые используются в хлебопечении, относятся к виду Saccharomyces cerevisiae и исторически происходят от штаммов пивных дрожжей. Мука обычно почти не содержит свободных сахаров, которые могут сбраживаться дрожжами. В низкосортной муке могут присутствовать ферменты, расщепляющие крахмал, однако в высокоочищенных сортах муки эти ферменты разрушены, и для заквашивания теста в муку приходится добавлять сахар. При брожении происходит интенсивное выделение СО₂, которая задерживается в тесте, заставляя его подниматься. Образующийся спирт удаляется в процессе выпечки.( Щербатенко В. В.).

Раньше дрожжи для хлебопечения получали с пивоварен. В конце ХIХ в. развилась целая отрасль по производству прессованных или сухих пекарских дрожжей. Современное производство пекарских дрожжей имеет ряд существенных особенностей по сравнению с бродильной промышленностью. Основная цель такого производства - получение дрожжей, которые с высокой скоростью вырабатывают в тесте углекислый газ за счет брожения в анаэробных условиях. Однако производить их надо при хорошей аэрации, чтобы добиться большего выхода дрожжевой биомассы (эффект Пастера). Полученные дрожжи должны не только обладать высокой бродильной активностью в тесте, но и хорошо храниться, не теряя своих качеств в замороженном или высушенном состоянии. Пекарские дрожжи выращивают в больших сосудах при интенсивном перемешивании и аэрации. При этом питательная среда, основой которой обычно служит меласса, подается постепенно, или порциями. Если добавить сразу много сахара, то метаболизм дрожжей переключится на бродильный (эффект Кребтри) и выход биомассы уменьшится. По завершении роста дрожжи концентрируют центрифугированием и фильтруют. Образующийся на фильтре осадок можно превращать в брикеты прессованных дрожжей. Сухие дрожжи получают высушиванием массы в специальных распылительных сушилках. (http://soil.msu.ru/soilyeasts/pics/PasteurEffect.htm).

1.3 Дрожжи в современной биотехнологии

Дрожжи как источник белка

Использование микробной биомассы для обогащения кормов белком и незаменимыми аминокислотами в условиях интенсивного животноводства - одна из важных проблем будущего, так как человечество развивается таким образом, что оно вряд ли сможет обеспечить себя пищей традиционными методами. Выращивание микроорганизмов не зависит от климатических и погодных условий, не требует посевных площадей, поддается автоматизации. Дрожжи - одна из наиболее перспективных групп микроорганизмов для получения белковых кормовых добавок. Содержание белка в клетках некоторых штаммов дрожжей составляет от половины до 2/3 сухой массы, на долю незаменимых аминокислот приходится до 10% (в белках сои, богатых лизином, его содержится не многим более 6%).( Коновалов С.А.).

Впервые дрожжи стали рассматривать как источник питания в годы первой мировой войны в Германии, где их использовали в качестве добавки при изготовлении колбас. В первой половине XX в. возникла новая отрасль промышленности - производство белка одноклеточных организмов. В нашей стране производство кормовых дрожжей было начато в 30-х годах. Отходы сельского хозяйства, такие как солома, кукурузные кочерыжки, опилки, подвергали гидролизу серной кислотой, полученные гидролизаты нейтрализовали и использовали для выращивания дрожжей. Особенно привлекательным в этом производстве является использование возобновляемого сырья, особенно древесины, запасы которой в нашей стране пока достаточно велики. В большинстве этих отходов основным компонентом является целлюлоза, и в гидролизатах будет преобладать глюкоза, усваиваемая всеми без исключения видами дрожжей. Поэтому на гидролизатах можно выращивать самые разнообразные дрожжи, удовлетворяющие технологическим требованиям. В гидролизатах древесины присутствует также большое количество ксилозы, поэтому здесь желательно использование видов, утилизирующих пентозы. В то же время, транспорт сырья на гидролизные заводы оказывается дорогостоящим, поэтому в большинстве стран существуют только локальные мелкие производства кормовых дрожжей, что экологически и экономически более выгодно.

Первый в мире крупный завод кормовых дрожжей мощностью 70 000 т. в год. был пущен в 1973 г. в СССР. В качестве сырья на нем использовали выделенные из нефти н-алканы и несколько видов дрожжей, способных к быстрому росту на углеводородах: Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica. В дальнейшем именно отходы от переработки нефти служили главным сырьем для производства дрожжевого белка, которое быстро росло и к середине 80-х гг. превысило 1 млн. т. в год, причем в СССР кормового белка получали вдвое больше, чем во всех остальных странах мира, вместе взятых. Этому способствовала организация большой научно-исследовательской работы. Были подробно изучены специфические особенности окисления и ассимиляции углеводородов, кинетические параметры роста, разработана технология их культивирования в крупных ферментерах объемом в сотни кубических метров. Однако в последующем масштабы производства дрожжевого белка на углеводородах нефти резко сократились. Это произошло как в результате экономического кризиса 90-х гг., так и из-за целого ряда специфических проблем, с которыми связано это производство. Одна из них - необходимость очистки готового кормового продукта от остатков нефти, имеющих канцерогенные свойства.

Другой пригодный вид сырья для производства микробного белка - метанол. На метаноле как на единственном источнике углерода и энергии способны расти около 25 видов дрожжей, в том числе Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Однако, более выгодным считается выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. Поэтому при росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи. Первая реакция окисления метанола у дрожжей катализируется оксидазой, а у метилотрофных прокариот - дегидрогеназой. Ведутся генноинженерные работы по переносу гена метанолдегидрогеназы из бактерий в дрожжи. Это позволит объединить технологические преимущества дрожжей с эффективностью роста бактерий.( Шлегель Г).

В последнее время интенсивно изучаются дрожжи, обладающие гидролитическими ферментами и способные расти на полисахаридах без их предварительного гидролиза. Использование таких дрожжей позволит избежать дорогостоящую стадию гидролиза полисахаридсодержащих отходов. Известно более 100 видов дрожжей, которые хорошо растут на крахмале как на единственном источнике углерода. Среди них особенно выделяются два вида, которые образуют как глюкоамилазы, так и б-амилазы, растут на крахмале с высоким экономическим коэффициентом и могут не только ассимилировать, но и сбраживать крахмал: Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger. Оба вида - перспективные продуценты белка и амилолитических ферментов на крахмалсодержащих отходах. Ведутся поиски и таких дрожжей, которые могли бы расщеплять нативную целлюлозу. Целлюлазы обнаружены у нескольких видов, например у Trichosporon pullulans, однако активность этих ферментов низкая и о промышленном использовании таких дрожжей говорить пока не приходится. Дрожжи из рода Kluyveromyces хорошо растут на инулине - основном запасном веществе в клубнях топинамбура - важной кормовой культуры, которая также может быть использована для получения дрожжевого белка.( Роуз Э).

Еще один субстрат, пригодный для получения кормового белка - молочная сыворотка, побочный продукт сыроварения. Молочная сыворотка содержит до 4% лактозы. Способность к ассимиляции лактозы имеется примерно у 20% всех известных видов дрожжей. Гораздо реже встречаются дрожжи, сбраживающие лактозу. Активный катаболизм лактозы особенно характерен для дрожжей из рода Kluyveromyces. Эти дрожжи можно использовать для получения на молочной сыворотке кормового белка, этанола, препаратов в-глюкозидазы.

Этанол широко применяется в химической промышленности как исходное соединение для синтеза многих веществ, как растворитель, экстрагент, антифриз и т.п. Вероятно, у этанола большое будущее и как топлива в двигателях внутреннего сгорания: этанол - гораздо более экологически чистое топливо, чем бензин.

В принципе этанол можно получать из любого источника углеводов, которые сбраживаются дрожжами. Разнообразие потенциальных продуцентов тоже велико: более 200 видов дрожжей способны сбраживать глюкозу.

Крупномасштабное получение этанола в качестве топлива осуществляется в основном в Бразилии и других странах Южной Америки. В качестве источника углеводов используется сахарный тростник и маниока, в качестве продуцента этанола - Saccharomyces cerevisiae.

Перспективным сырьем для получения спирта являются отходы целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. Однако, гидролизаты древесины содержат большое количество пентоз. До середины 70-х годов XX в. вообще не были известны дрожжи, активно сбраживающие пентозы. Сейчас такие виды найдены: Pachysolen tannophilus и Pichia stipitis (анаморфа - Candida shehatae). Им прочат большое будущее в производстве спирта из гидролизатов древесных отходов, соломы, торфа и т.п.

В небольших масштабах этанол можно получать и из других субстратов, например из молочной сыворотки, используя сбраживающие лактозу дрожжи из рода Kluyveromyces.

В последние десятилетия разнообразие биотехнологических процессов, в которых используются дрожжи, резко увеличилось. Еще более разнообразны перспективы использования дрожжей: в различных разработках, патентах и т.п. упоминается более 200 видов. Сейчас дрожжи используются для получения различных ферментных препаратов, органических кислот, полисахаридов, многоатомных спиртов, витаминов и витаминных добавок, а также во множестве других мелкомасштабных процессах.

Промышленно важные органические кислоты, продуцируемые микроорганизмами, являются либо конечными продуктами (молочная, масляная, пропионовая кислоты у анаэробных бактерий), либо интермедиатами метаболизма. Последние можно получать с помощью дрожжей. В наибольших масштабах производится лимонная кислота, в основном с помощью Aspergillus niger, с использованием в качестве субстрата мелассы. Однако, ее можно получать и с помощью дрожжей на более дешевых субстратах, таких как парафины нефти или этанол. Сейчас разработаны технологии получения и многих других кислот, например, изолимонной из Candida catenulata, фумаровой из Candida hydrocarbofumarica, яблочной из Pichia membranaefaciens и др. ( Грачёва. И.М.).

Из дрожжевых полисахаридов наиболее известен пуллулан, который получают из дрожжеподобного гриба Aureobasidium pullulans. Он представляет собой в-глюкан, в котором мальтотриозные остатки соединены между собой в (1>6) гликозидными связями. Пуллулан используется в основном в пищевой промышленности в качестве пленочного покрытия. Возможно получение разнообразных по строению и свойствам полисахаридов и из других видов дрожжей. Особенно много внеклеточных полисахаридов образуют дрожжи Cryptococcus, Rhodotorula, Lipomyces.

Многоатомные спирты (глицерин, ксилит, эритрит, арабит) - широко применяются в химической и пищевой промышленности. Перспективным считается способ получения сахароспиртов, таких как глицерин, эритрит и ксилит, с использованием ксеротолерантных дрожжей рода Zygosaccharomyces. Эти дрожжи способны расти в средах с высоким осмотическим давлением, синтезируя при этом большое количество внутриклеточных полиолов, которые служат осмопротекторами. Другой способ касается получения ксилита - важного полиола для пищевой промышленности. Ксилит накапливается как побочный продукт при сбраживании ксилозы дрожжами Pachysolen tannophilus.

Многие дрожжи служат источниками для получения ферментных препаратов, которые используются в современной пищевой и химической промышленности. Из дрожжевого осадка, образующегося как отход пивоварения, получают фермент в-фруктофуранозидазу (инвертазу), расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу. Препараты инвертазы широко применяются в кондитерской промышленности для предотвращения кристаллизации сахарозы, для приготовления инвертных сиропов. С помощью культур Kluyveromyces marxianus получают в-галактозидазу, которая применяется в молочной промышленности. Дрожжи Yarrowia lipolytica используются для получения липолитических ферментов, представляющих большой интерес для многих отраслей хозяйства. Липазы используются в сыроварении, в косметической промышленности, при выделке мехов и кож, в моющих средствах. В последние годы разработано множество способов получения самых различных ферментов из дрожжей: пектиназ из Saccharomycopsis fibuliger, амилаз из Schwanniomyces occidentalis, ксиланаз из Cryptococcus laurentii, гидролаз L-б-амино-е-капролактама из криптококков, алкогольоксидазы из Pichia burtonii, оксидазы D-аминокислот из Trigonopsis variabilis, фенилаланинаммиаклиазы из Rhodotorula glutinis. Это лишь немногие примеры получения дрожжевых ферментных, спектр которых в последние годы постоянно расширяется.

Применение дрожжей как источников витаминов началось в 1930-е годы. Одним из первых промышленных процессов получения витаминов было выделение эргостерина из Saccharomyces cerevisiae с последующим облучением ультрафиолетом для перевода в витамин D. Затем у дрожжей была открыта способность к сверхсинтезу некоторых витаминов группы В, в частности рибофлавина. Некоторые красные дрожжи используются для получения каротиноидов, в частности в-каротина, служащего предшественником витамина A, астаксантина, используемого в качестве кормовой добавки в рыбоводстве. Кроме производства индивидуальных витаминов уже много лет в мире практикуется получение автолизатов и гидролизатов дрожжей, питьевых дрожжей, которые используются как источник витаминов и как вкусовые добавки ( И.М. Грачёва, Л.А. Иванова. В.М. Кантере).

1.4 Систематика дрожжей

Одноклеточная организация дрожжей накладывает столь существенный отпечаток на их внешний облик и на методы работы с ними, что систематика дрожжей долгое время развивалась вполне независимо от систематики мицелиальных грибов. Одно из важных отличий - широкое использование для классификации и идентификации дрожжей физиологических и биохимических признаков. До середины XX в. все одноклеточные грибы рассматривались в качестве достаточно обособленной таксономической группы аскомицетов. Последней точки зрения придерживался, например, В.И.Кудрявцев, автор отечественного определителя дрожжей, который предлагал объединять все дрожжи в самостоятельный порядок Unicellomycetales. В середине XX в. произошло принципиальное событие в систематике дрожжей, когда японскому микологу Исао Банно удалось индуцировать половой цикл размножения у гетероталличных красных дрожжей Rhodotorula glutinis. Полученные им характеристики жизненного цикла однозначно свидетельствовали о принадлежности этих дрожжей к базидиомицетам. Стало очевидным, что среди дрожжей имеются представители совершенно различных таксономических групп грибов, как аскомицетовых, так и базидиомицетовых. После этого большое внимание в систематике дрожжей стало уделяться поиску признаков, позволяющих разделить аскомицетовые и базидиомицетовые виды, даже без наблюдения полного жизненного цикла (так называемых признаков аффинитета). В систематике дрожжей стали активно использоваться биохимические и цитологические признаки.( Хиггинс И., Бест Д., Джонс Д.М.).

Современный период изучения биологического разнообразия характеризуется интенсивным развитием филогенетической систематики, которая направлена на реконструкцию конкретных путей исторического развития организмов. В микробиологии филогенетическая систематика получила мощный импульс развития лишь в самом конце XX в. в связи со сравнительным изучением консервативных нуклеотидных последовательностей в рРНК. К настоящему времени расшифрованы и помещены в компьютерные банки данных, доступные по сети Интернет, нуклеотидные последовательности рРНК у представителей всех известных видов дрожжей. Это позволяет строить филогенетические деревья, отражающие эволюцию их рибосомальных генов.

Оказалось, что группирование дрожжей на основе сходства нуклеотидных последовательностей рРНК во многих случаях не совпадает с группированием по фенотипическим признакам. Многие традиционные признаки, используемые в классификации дрожжей, такие как характеристики вегетативного размножения, форма аскоспор, способность к сбраживанию и ассимиляции сахаров, стали считаться ненадежными, не пригодными для определения филогенетического родства. Секвенирование рРНК (рДНК) сейчас считается необходимым при описании новых видов дрожжей.( Главачек Ф.).

Один из главных вопросов, который активно дискутировался до последнего времени, положение дрожжей в общей системе грибов. Являются ли они предковыми примитивными формами аско- и базидиомицетов, давшими начало более продвинутым и сложно организованным мицелиальным грибам, или вторично упростившимися, возникшими независимо в разных филогенетических линиях грибов в результате конвергенции? Окончательный ответ на этот вопрос был получен лишь недавно в результате развития молекулярно-филогенетической систематики. Сейчас считается окончательно доказанным полифилетическое происхождение дрожжей, их независимое возникновение среди аскомицетовых и базидиомицетовых грибов. После обнаружения базидиомицетовых дрожжей в зимологии возникло представление о дрожжах, как о чисто морфологической, или экоморфологической группе грибов (жизненной форме), лишенной таксономического содержания. В то же время, дрожжи встречаются лишь в некоторых филогенетических линиях грибов, в которых имеются также близкородственные виды, существующие в основном в мицелиальной форме. Примерами могут служить аскомицеты Endomyces, Blastobotrys, базидиомицеты Tilletiopsis, Trichosporonoides, не образующие почкующихся одиночных клеток. Несмотря на отсутствие одноклеточных ассимилятивных стадий такие виды также включают в определители дрожжей, так как филогенетически они очень близки к «настоящим» одноклеточным дрожжам. Поэтому с точки зрения филогенетической систематики, целиком сводить понятие «дрожжи» только к одноклеточной жизненной форме грибов не представляется целесообразным.

Систематика дрожжей, поиск об их места в общей системе грибов продолжают активно развиваться, и в этой области еще не выработано устоявшихся, стабильных представлений. Тем не менее, со времени первых описаний сахаромицетов зимологами пройден очень большой путь в исследовании разнообразия дрожжевых грибов. Основные этапы этого пути отражены в серии определителей голландской зимологической школы, которые выходили с интервалом в 10-20 лет.( Коновалов С.А.).

Понятие вида - одно из сложнейших в биологии. Разработка концепции вида - особенно трудная задача в применении к микроорганизмам, в частности к грибам, по причине их плеоморфизма, сложности жизненных огрпмпциклов, наличия стабильных несовершенных форм, неопределенности границ индивидуума и популяции.

В биологии термин «вид» используется в разных значениях. С одной стороны, о виде говорят как о наименьшей единице классификации, минимальном элементе разнообразия, который мы в состоянии распознать с помощью определенного набора таксономических признаков. Стандартный набор таких признаков, используемых в таксономии дрожжей, постоянно увеличивается, что позволяет выделять все более «мелкие» виды. В результате число известных видов дрожжей за последние десятилетия существенно возросло не только за счет обнаружения новых форм в природе, но и дробления уже известных «крупных», «гетерогенных» видов, характеризующихся значительной изменчивостью. Границы между видами при этом проводятся либо исходя из опыта и интуиции систематика (типологическая концепция вида), либо на основании явного соглашения между систематиками об уровне отличий, достаточном для выделения самостоятельного вида (номиналистическая концепция). В последнем случае вид - это не более чем абстракция, и границы вида устанавливаются исходя из чисто утилитарных представлений об определенном уровне общего сходства между штаммами дрожжей.( Коновалов С.А.).

Наряду с этим в биологии существует и принципиально иное представление о виде, как о целостной, устойчивой и достаточно гетерогенной системе. При этом основное внимание уделяется не столько уровню различий между особями, сколько степени дискретности, отсутствию переходных форм между видами. Такая дискретность наиболее выражена у животных и растений, то есть организмов, размножающихся преимущественно половым путем. Обмен генами при половом размножении как раз и представляет собой механизм, поддерживающий целостность вида, а прекращение такого обмена приводит к возникновению дискретности разнообразия. Поэтому для животных и растений применима биологическая концепция вида: вид - это система популяций, генетически изолированных от популяций других видов и характеризующихся интерфертильностью, то есть способностью особей скрещиваться с образованием плодовитого потомства.

Организмы разных видов не могут скрещиваться, или скрещиваются, но не дают плодовитого потомства. Такая концепция вида применима и ко многим грибам, у которых имеется половой процесс. Изучение интерфертильности играет существенную роль в определении границ видов и у совершенных дрожжей с хорошо выраженной половой стадией в жизненном цикле.

Интерфертильность легко проверяется, если имеются штаммы, представляющие различные типы спаривания гетероталличных дрожжей. Однако гомоталлизм, вегетативное размножение в диплоидной стадии, конъюгация аскоспор в аске - затрудняют применение интерфертильности для разграничения видов дрожжей.( Аркадьева З.А., Безбородов А.М., Блохина И.Н.).

Применение биологической концепции вида к дрожжевым грибам осложняется и тем, что половое размножение у них не является обязательным и не играет такой же существенной роли в формировании разнообразия, как у высших животных и растений. Очевидно, биологическая концепция неприменима к несовершенным дрожжам, размножающимся только бесполым путем, и, возможно, полностью утерявшим половую стадию в ходе эволюции. У таких дрожжей выделение видов неизбежно носит номиналистический характер.

В связи с развитием молекулярно-филогенетической систематики в последнее время изменилось и представление о природе вида у дрожжей. Бурное развитие геносистематики привело к созданию и широкому внедрению новых методов, включая расшифровку и сравнение нуклеотидных последовательностей рДНК, ПЦР-анализ амплифицированной ДНК и др. Это породило надежды на создание абсолютно объективных технологий видовой идентификации. На первый план вышла концепция «элементарных» монофилетических видов, то есть таких групп штаммов, внутри которых полностью отсутствует филогенетическая структура, выявляемая на основании анализа нуклеотидных последовательностей в наиболее консервативных генах. Самостоятельность многих видов дрожжей стала активно пересматриваться с молекулярно-генетических позиций. Это вызвало определенное «высокомерие» по отношению к классическим представлениям о смысле выделения видов и видовой формы организации вообще. В связи со сложностью и дороговизной молекулярно-генетических методов возникла проблема практической недостижимости «правильной» видовой идентификации при проведении исследований, требующих массового определения большого числа штаммов, например, экологических, инвентаризационных, биоресурсных. Вместе с тем, на фоне сохраняющегося пиетета перед молекулярно-генетическими методами в последнее время появляется все больше свидетельств их недостатков, спорности некоторых положений, противоречий с эволюционно-филогенетическими концепциями. Иными словами, возникла проблема соотношения новейших молекулярных подходов к выделению видов с традиционными, основанными на морфологических и физиологических признаках. Решение этой проблемы должно определить развитие систематики дрожжей в ближайшем будущем.( Коновалов С.А.).

Набор признаков, на основании которых выделяются виды у дрожжей, постоянно меняется в связи с принятием той или иной концепции вида, в результате пересмотра таксономической значимости признаков, с появлением новых методов и технологий. Систематика грибов до последнего времени основывалась главным образом на морфологических признаках, таких как пигментация, строение конидиеносцев, форма спор и т.п. Одноклеточные грибы не обладают такой сложной разнообразной морфологией, как мицелиальные. Поэтому уже с первых работ Э.Хансена и А. Клюйвера в 20-х гг. XX в. разделение видов дрожжей основывалось не только на морфологических, но и на физиологических признаках, таких как способность к сбраживанию и аэробной ассимиляции различных углеводов. Количество используемых для описания вида источников углерода и азота было значительно расширено в 50-е гг. Викерхэмом, который также разработал стандартные среды для постановки физиологических тестов. Эти критерии прочно вошли в практику классификации и идентификации дрожжей и используются до настоящего времени.

По своей природе признаки, используемые в систематике дрожжей, можно разбить на следующие группы.

Макроморфологические (культуральные) признаки, которые характеризуют рост штамма на различных средах. К ним относятся особенности роста в жидких средах (образование пленки, мути, осадка), формирование гигантской колонии и ее характеристики, образование плодовых тел.( Работнова И. Л).

Микроморфологические признаки - особенности клеточной морфологии: размеры и форма клетки, тип вегетативного размножения, строение мицелия и псевдомицелия, формирование бесполых спор (баллистоспор, хламидоспор), характеристики полового размножения (гологамия или педогамия, форма аскоспор и др.

Цитологические признаки - особенности строения клеток и клеточных структур, например, строение клеточной стенки, структура септ мицелия.

Физиологические признаки, определяющие тип питания и способность к росту в различных условиях. К ним относится определение способности к анаэробному сбраживанию или аэробной ассимиляции различных источников углерода, способность к росту при различных значениях pH, осмотического давления среды, устойчивость к различным ингибиторам роста.( Шлегель Г).

Биохимические признаки, характеризующие химический состав клетки и отдельных ее компонентов: образование ферментов, специфических метаболитов, внеклеточных продуктов, например, моносахаридный состав внеклеточных полисахаридов.

Генетические признаки, включающие характеристики генома.

Арсенал генетических признаков и методов их определения особенно расширился в последнее время в связи с интенсивным развитием молекулярной биологии и стал играть ключевую роль в систематике дрожжей. К ним относятся нуклеотидный состав ДНК, степень гомологии ДНК у разных видов, наличие уникальных олигонуклеотидных последовательностей в геноме, последовательность нуклеотидов в определенных генах.

Экологические признаки, определяющие характер распространения вида в природных местообитаниях, а также чувствительность или резистентность к различным экологическим факторам, патогенные свойства.

Для выявления всех этих признаков разработаны стандартные методы, описываемые в определителях или специальных руководствах.

Морфологические характеристики, имеющие наибольшее значение для дифференциации родов дрожжей, были подробно рассмотрены выше. Для разделения видов у дрожжей традиционно использовались в основном физиологические характеристики - способность к росту на различных источниках углерода и азота.

Некоторые цитологические и биохимические критерии, разработанные в последние десятилетия, сыграли особенно большую роль в классификации дрожжей на родовом и надродовом уровне, значительно изменив представления об их группировании и филогении. Эти признаки имеет смысл рассмотреть более подробно.

Изучение полисахаридов, которые составляют клеточную стенку и капсулу, оказало существенное воздействие на систематику и преставления о филогении дрожжей. Характеристика моносахаридного состава полисахаридов клеточных стенок используется главным образом для дифференциации дрожжей на родовом и надродовом уровне. В то же время, детальные исследования химического состава клеточной стенки были проведены лишь у небольшого числа видов дрожжей. Наиболее подробно исследовано строение клеточной стенки Saccharomyces cerevisiae и нескольких близких аскомицетовых видов.( Гриневич. А.Г., Босенко. А.М).

Как уже отмечалось, аскомицетовые почкующиеся дрожжи содержат в качестве главного структурного компонента клеточной стенки в (1>3)-глюкан. Другой существенный компонент - комплекс белка и глюкоманнана. Оказалось, что боковые цепи этих полисахаридов, особенно маннана, существенно варьируют по моносахаридному составу у разных видов дрожжей. Моно- и олигосахариды, образовавшиеся при кислотном гидролизе углеводов клеточной стенки, можно разделить с помощью гельфильтрации.

Другой способ, применявшийся для характеристики полисахаридов - сравнение спектров протонного магнитного резонанса, который позволяет определять пропорции и размер боковых цепей в различных маннанах. Считается, что сходные спектры протонного магнитного резонанса клеточных маннанов указывают на близкое родство видов. Эти характеристики оказались очень полезными для классификации дрожжей, например, для группирования родственных видов в многовидовых сборных анаморфных родах типа Candida.

Наряду с глюканом и маннаном почкующиеся аскомицетовые дрожжи содержат около 1-2 % хитина, который почти полностью локализован в областях шрамов почкования. Однако небольшое количество хитина (около 0.1 %) рассеяно по всей клеточной стенке.( Грачёва. И.М.).

Напротив, дрожжи базидиомицетового аффинитета характеризуются намного более высоким содержанием хитина (до 10 %). Таким образом, это различие можно использовать в качестве таксономического признака для разделения аскомицетовых и базидиомицетовых анаморф. Кроме того, оказалось, что содержание хитина в стенках некоторых мицелиальных аскомицетовых дрожжей, например, у видов Saccharomycopsis, значительно выше, чем у истинных одноклеточных дрожжей, таких как Saccharomyces cerevisiae.( http://soil.msu.ru/soilyeasts/pics/AscosporeForms.htm).

Наиболее отличным по моносахаридному составу оказался состав клеточной стенки делящихся дрожжей Schizosaccharomyces. Виды этого рода содержат в дополнение к в-глюканам другой главный структурный полисахарид, а именно б(1>3)-глюкан. Маннан Schizosaccharomyces также отличается по строению от маннана почкующихся дрожжей, главным образом присутствием галактозных остатков. Это позволило предположить, что делящиеся дрожжи имеют уникальный состав клеточной стенки и не родственны другим группам аскомицетовых дрожжей. Позднее это предположение было подтверждено данными по сравнению нуклеотидных последовательностей рРНК.

Еще большее значение играют характеристики моносахаридного состава клеточных стенок в систематике базидиомицетовых дрожжей. Особенно ценным считается такой признак, как присутствие или отсутствие D-ксилозы в клеточной стенке или в экстрактах целых клеток. По этому признаку все гетеробазидиомицетовые дрожжи были разбиты на две группы: спороболомицетовые (отсутствует ксилоза и часто содержится фукоза), которые включают виды родов Rhodotorula, Rhodosporidium, Sporobolomyces, и филобазидиевые (содержат ксилозу и обычно глюкуроновую кислоту), включающие роды Bullera, Cryptococcus, Filobasidium, Phaffia и некоторые виды Trichosporon. Такое разделение также подтверждается другими молекулярно-биологическими критериями.

Несмотря на несомненную важность такого признака, как состав углеводов клеточной стенки, следует подчеркнуть, что он не является решающим критерием в систематике дрожжей, а ценен только в комбинации с другими хемотаксономическими и молекулярными признаками, включая анализ последовательности рРНК. Такой полифазный подход для создания надежной таксономической системы поддерживается большинством систематиков.( Бабицкая В.Г., Стахеев И.В.).