ĆWICZENIE NR 1 Drożdże część teoretyczna 1. Budowa komórki drożdżowej i fizjologia drożdży Drożdże pod względem systematycznym należą do grupy grzybów. Dzieli się je na dwie podgrupy: tworzące i nie tworzące zarodniki. Drożdże to grzyby jednokomórkowe, które czerpią swoją energię: - w obecności tlenu przez oddychanie (warunki aerobowe) - w braku tlenu przez fermentację (warunki anaerobowe) W drugim przypadku, za pomocą kompleksu enzymów, zwanych zymazą, rozkładają one glukozę, fruktozę, sacharozę i maltozę na alkohol etylowy i dwutlenek węgla, tworząc także niewielką ilość produktów ubocznych lotnych i nielotnych. W skład komórki drożdżowej wchodzi: 1. ściana komórkowa 2. błona cytoplazmatyczna 3. cytoplazma 4. jądro 5. jąderko 6. wodniczki 7. rybosomy 8. mitochondria 9. reticulum endoplazmatyczne 10. substancje zapasowe. Rysunek 1. Komórka drożdżowa 6-10 µm 5-7 µm 1
Komórka drożdżowa zawiera przeciętnie ok. 75% wody. Skład suchej substancji w przybliżeniu wygląda następująco: 1. białka 45-60% 2. węglowodany 25-35% 3. tłuszcze 4-7% 4. związki mineralne 6-9% Związki mineralne tworzą głównie: fosforany, sole potasu, sodu, wapnia, magnezu i cynku, oraz śladowe ilości żelaza, miedzi i manganu. Ściana komórkowa jest szczególnie ważną częścią komórki. Ma budowę warstwową. Głównymi substancjami budulcowymi ściany są: mannan (znajdujący się po zewnętrznej stronie) i glukan (po stronie wewnętrznej). Zawiera również białka, tłuszcze i związki nieorganiczne. Zadaniem błony komórkowej jest m.in. utrzymanie odpowiedniego kształtu komórki. Błona komórkowa otacza cytoplazmę, wraz ze wszystkimi organellami. Ważnym elementem błony komórkowej są fosfolipidy. Mają bardzo typową budowę, istotną dla roli jaką wypełniają. Są to naturalne glicerydy, których dwie grupy alkoholowe zestryfikowane są kwasami tłuszczowymi, a trzecia kwasem fosforowym. Cząsteczki fosfolipidów, wchodzące w skład błony komórkowej wykazują dwie przeciwstawne właściwości: wiązanie z kwasem fosforowym jest hydrofilowe, a łańcuchy kwasów tłuszczowych są hydrofobowe. W skład błony wchodzą również białka. Wnikają one do warstwy lipidowej z obu stron, a niektóre przenikają ją całkowicie. Grubość błony komórkowej wynosi około 6nm, czyli 1/1000 średnicy komórki. Powierzchnia jednej komórki wydaje się bardzo mała, bo tylko 150µm 2, ale powierzchnia zbiorowa 10g drożdży prasowanych, wynosi około 9-10m 2. Cytoplazma w młodej komórce drożdżowej ma jednolitą strukturę. Stanowi nieco więcej niż 50% objętości komórki. W cytoplazmie zachodzi większość przemian enzymatycznych: rozkład substancji, którymi żywi się komórka oraz synteza związków niezbędnych do jej budowy. W warunkach obfitości substancji pokarmowych, np. na początku fermentacji, komórki drożdżowe wzbogacają się w substancje zapasowe, takie jak glikogen rezerwowy węglowodan, którego zawartość może osiągnąć do 30% suchej substancji drożdży. Gromadzone są także dwucukier trehaloza, fosforany i lipidy. Wakuole. W miarę procesu starzenia cytoplazma staje się ziarnista, pojawiają się wodniczki wypełnione sokiem komórkowym (wodny roztwór soli organicznych, białek, cukrowców i innych związków). Funkcja wakuoli polega na segregacji substancji użytecznych i odpadowych. Nadmiar zgromadzonych soli może czasem krystlizować. Przez odwracalne tworzenie i rozpuszczanie kryształów soli, komórka może regulować swoje wewnętrzne ciśnienie (turgor), kiedy na przykład podwyższona zawartość ekstraktu w środowisku zwiększy ciśnienie osmotyczne. Jądro komórkowe ma kształt owalny i średnicę około 2,5 µm. Charakteryzuje się gruzełkowatą strukturą. Jest najważniejszą częścią komórki, zawierającą materiał genetyczny, tj. chromosomy, DNA i RNA. Chromatyna podstawowy składnik chromosomów składa się z ułożonych podjednostek DNA, które są materiałem genetycznym komórki sterującym całym procesem przemiany materii, oraz strukturą białek w niej wytwarzanych. Ilość informacji zawarta w tym materiale, czyli w genach, odpowiada w przybliżeniu 10 9-10 10 bitów (125MB-1GB). Informacje te sterują rozwojem komórki, jej rozmnażaniem, wzrostem i metabolizmem. Substancje zapasowe są odkładane w cytoplazmie dojrzałych komórek drożdżowych w postaci: wolutyny substancji o charakterze białkowym, glikogenu węglowodanu, który gromadzi się w komórkach drożdży hodowanych na podłożach zawierających cukry, a jego obecność świadczy o dobrym odżywieniu komórek. tłuszczu substancji zapasowej występującej w postaci kropli silnie załamujących światło. Obecność substancji zapasowych wykrywa się za pomocą barwienia: tłuszczu czerwone zabarwienie z Sudanem III, wolutyny niebieskie zabarwienie z błękitem metylenowym, glikogenu brunatne zabarwienie komórek z płynem Lugola. 2
2. Rozmnażanie drożdży W zależności od rasy drożdże rozmnażają się przez: pączkowanie wegetatywnie, podział poprzeczny komórki (rozszczepianie) wegetatywnie, zarodnikowanie wegetatywnie (płciowo), kopulację płciowo. Na podstawie wyglądu zewnętrznego komórki i zarodników drożdże można zakwalifikować do poszczególnych gatunków. Rysunek 2. Morfologia ważniejszych gatunków: A Saccharomyces cerevisiae, A1 komórka pączkująca, A2 worki z zarodnikami, B Candida utilis, C Kluyveromyces fragilis, C1 worki z zarodnikami, C2 zarodniki, D Schizosaccharomyces pombe, D1 worki z zarodnikami 3. Zastosowanie drożdży Drożdże są organizmami mało wymagającymi, gdyż posiadają zdolność wykorzystywania podłóż o ubogim składzie. Po odpowiedniej obróbce są one dobrze przyswajane przez zwierzęta, stanowią cenną paszę dostarczającą duże ilości białka i witamin, szczególnie z grupy B. Jednak głównie są użytkowane w przemysłach: piekarniczym, browarniczym, gorzelniczym i winiarskim. Pod względem wykorzystania w przemyśle drożdże dzieli się na: gorzelnicze browarnicze piekarskie winiarskie paszowe. Teoria Finka dotycząca hodowli drożdży mówi, że 2/3 wprowadzonej do podłoża glukozy powinno przejść w biomasę. Pozostała część cukrów wykorzystywana jest przez komórki do syntezy produktów ubocznych oraz na potrzeby życiowe. 3
4. Żywotność drożdży Żywotność drożdży dobrej jakości powinna wynosić nie mniej niż 95%. Oznacza to, że na każde 100 komórek drożdży tylko 5 może być martwych. W celu wykonania oceny barwi się przygotowany preparat błękitem metylenowym i obserwuje pod mikroskopem. Komórki martwe barwią się na niebiesko, a żywe pozostają bezbarwne. 5. Drożdże piwowarskie Według sposobu fermentacji brzeczki piwnej wyróżniamy: - drożdże górnej fermentacji: które w warunkach przemysłowych fermentują w wyższych temperaturach (>20 C), a po zakończeniu procesu fermentacji zbierają się na powierzchni piwa; - drożdże dolnej fermentacji: produkują piwo w temperaturach niższych (<10 C) a po zakończeniu fermentacji opadają na dno naczynia; 6. Drożdże piekarskie Drożdże piekarskie (nazywane też piekarniczymi) należą do gatunku Saccharomyces cerevisiae, ale nie zawsze pochodzą od czystej kultury jednej rasy. Może to być mieszanka trzech lub czterech ras. Drożdże hodowane są na melasie, a ich barwa zależy od sposobu produkcji i powinna być jak najjaśniejsza, dopuszczalny jest odcień szary oraz zbrunatnienie krawędzi cegiełek drożdżowych wskutek ich wysychania. Smak i zapach powinien być swoisty bez posmaku gorzkiego i obcych zapachów. Dobre drożdże są w dotyku lekko ziarniste. Trwałość drożdży prasowanych, czyli handlowych, w temperaturze 20 0 C powinna wynosić co najmniej 10 dni, a pożądana jest trwałość 14 dniowa. 5.1. Czas podnoszenia ciasta Czas podnoszenia ciasta powinien wynosić nie mniej niż 60 minut (I pęd), 35 minut (II pęd) i 120 minut dla sumy trzech pędów. Trwałość termostatowa w temperaturze 35 O C nie może wynosić więcej niż 96 godzin. Drożdże miękkie w dotyku, wskazują na zaawansowane procesy autolityczne. Nieprzyjemny zapach zepsutych drożdży udziela się pieczywu. Oznaką zepsucia drożdży są: szarożółta barwa plamy niebieskie (pochodzenia bakteryjnego) tłustość w dotyku nieprzyjemny zapach (przypominający klej lub rozkładającego się białka) 5.2. Sucha masa drożdży Drożdże prasowane powinny zawierać nie mniej, niż 26% suchej masy. W ich skład wchodzi 40 pierwiastków chemicznych. Najważniejszymi są: węgiel, tlen, wodór, azot, fosfor, potas i magnez. Stanowią one 98% suchej masy drożdży. Te właśnie pierwiastki w postaci przyswajalnej dla drożdży stanowią ich pożywienie. Głównym źródłem węgla są cukry zawarte w melasie buraczanej. Jest ona nie tylko źródłem przyswajalnego węgla organicznego, ale częściowo również związków azotowych, substancji wzrostowych i soli mineralnych. Na produkcję drożdży powinna być przeznaczona melasa najlepszej jakości i możliwie jednolita. Melasa gorszej jakości wymaga takich zabiegów, jak sterylizacja, klarowanie brzeczki melasowej, usuwanie szkodliwych składników i wzbogacanie w niezbędne dla drożdży sole mineralne. 5.3. Skład chemiczny drożdży piekarskich Tabela 1 Składnik % w suchej masie Białko ogółem 40 50 Glikogen 10 30 Kwasy nukleinowe 4 10 Tłuszcze 1 6 Mannan do 4 Celuloza do 5 Związki mineralne 6 8 W tym: P 2 O 5 44 59 K 2 O 22 39 MgO 4 6 4
CaO 1 7 SO 3 0,5 6,0 Fe 2 O 3 0,06 0,7 SiO 2 0,9 2,0 Źródłem tlenu dla drożdży jest powietrze doprowadzane do brzeczki drożdżowej. W warunkach tlenowych drożdże utleniają substancje organiczne, zwykle cukry, tworząc CO 2 i zużytkowując energię zawartą w tych surowcach zgodnie z równaniem C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O + 2824 kj Najważniejszym kryterium jest wydajność drożdży prasowanych zawierających przeciętnie 27% suchej masy, co oznacza się symbolem D 27. Wydajność oznacza ilość procentową D 27 z melasy o średniej zawartości 50% sacharozy, co oznaczamy skrótem M 50. Aby zachować siłę pędną drożdży piekarskich, suszenie po produkcji musi odbywać się w stosunkowo niskich temperaturach, nie przekraczających 40 0 C. Drożdże przeznaczone do suszenia powinny charakteryzować się wysoką zawartością trehalozy (dwucukier odpowiedzialny za trwałość termiczną drożdży). Dodatek drożdży do ciasta, wynoszący 2 5% w stosunku do użytej mąki, powoduje nie tylko spulchnianie ciasta. Chleb produkowany na drożdżach ma większą wartość odżywczą niż chleb pieczony na zakwasie, gdyż drożdże zawierają 50% łatwo przyswajalnego białka, kilka procent tłuszczu, a przede wszystkim witaminy: B 1, B 2, B 6, B 12, PP, witaminę D oraz kwas pantotenowy, które rozkładają się tylko częściowo w procesie pieczenia. Drożdże powinny być przechowywane w temperaturze od +2 do +8 0 C (jest to dla nich optymalna temperatura). Jej podwyższenie powoduje wzrost zakażenia lub lizę komórek, a ujemne temperatury przechowywania prowadzą do wymrożenia wody w wakuolach i w konsekwencji zniszczenie komórek. 5