Роль дріжджів в біотехнології

• 2.3 ІСТОРІЯ ДОСЛІДЖЕНЬ БІОТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ЗА УЧАСТЮ ДРІЖДЖІВ.

       Дріжджі, ймовірно, одні з найбільш древніх «домашніх організмів». Тисячі років люди використовували їх для ферментації і випічки. Археологи знайшли серед руїн староєгипетських міст жорна і пекарні, а також зображення пекарів і пивоварів. Передбачається, що пиво єгиптяни почали варити за 6000 р. до  н. е., а до 1200 року до н.е. опанували технологію випічки дріжджового хліба поряд з випічкою прісного. Для початку зброджування нового субстрата люди використовували залишки старого. В результаті в різних господарствах століттями відбувалася селекція дріжджів і сформувалися нові фізіологічні раси, що не зустрічаються в природі, багато з яких навіть спочатку були описані як окремі види. Вони є такими ж продуктами людської діяльності, як сорти культурних рослин. [13]

У 1680 році голландський натураліст Антоні ван Левенгук вперше побачив дріжджі в оптичний мікроскоп, проте не розпізнав їх через відсутність руху живих організмів.  І лише в 1857 році французький мікробіолог Луї Пастер в роботі «Mémoire sur la fermentation alcoholique» довів, що спиртове бродіння — не просто хімічна реакція, як вважалося раніше, а біологічний процес, вироблюваний дріжджами. [13]

У 1881 році Еміль Хрістіан Хансен, працівник лабораторії данської компанії Carlsberg, виділив чисту культуру дріжджів, а в 1883 році вперше використовував її для здобуття пива замість нестабільних заквасок.

В кінці XIX століття при його участі створюється перша класифікація дріжджів, на початку XX століття з'являються визначники і колекції дріжджових культур. У другій половині століття наука про дріжджі (зимологія) окрім практичних питань починає приділяти увагу екології дріжджів в природі, цитології, генетиці. [13]

До середини XX століття учені спостерігали лише статевий цикл аскоміцетних дріжджів і розглядали їх всіх як відособлену таксономічну групу сумчастих грибів. Японському мікологу Ісао Бано в 1969 році вдалося індукувати статевий цикл розмноження в Rhodotorula glutinis, яка є базидіоміцетом. Сучасні молекулярно-біологічні дослідження показали, що дріжджі сформувалися незалежно серед аскоміцетних і базидиоміцетних грибів і є не єдиним таксоном, а швидше життєвою формою. [13]

24 квітня 1996 року роки  було оголошено, що Saccharomyces cerevisiae став першим еукаріотичним організмом, чий геном (12 млн. пар основ) був повністю секвенований. Секвенування зайняло 7 років, і в нім брали участь більше 100 лабораторій. Наступним дріжджовим організмом і шостим еукаріотом з повністю розшифрованим геномом в 2002 році став Schizosaccharomyces pombe з 13,8 млн. пар основ. [13]

3. БІОТЕХНОЛОГІЧНІ ВИРОБНИЦТВА НА ОСНОВІ ДРІЖДЖІВ.
0. Деякі види дріжджів з давніх пір використовуються людиною при приготуванні хліба, пива, вина, квасу та ін. У поєднанні з перегонкою процеси бродіння лежать в основі виробництва міцних спиртних напоїв. Корисні фізіологічні властивості дріжджів дозволяють використовувати їх в біотехнології. [2]
0. На даний момент їх застосовують у виробництві ксиліту, ферментів, харчових добавок, для очищення від нафтових забруднень.  Також дріжджі широко використовуються в науці як модельні організми для генетичних досліджень і в молекулярній біології. Пекарні дріжджі були першими з еукаріот, в яких була повністю визначена послідовність ДНК генома. Важливим напрямом досліджень є вивчення пріонов у дріжджів. [2,22]
0. 3.1 ВИРОБНИЦТВО СПИРТУ
0. Виробництво перегнаного спирту молодше, ніж неперегнаних спиртних напоїв, але і його коріння втрачається в століттях. Для здобуття напою, що містить 40% (за об'ємом) спирту, потрібна перегонка. Її і сьогодні здійснюють в перегінних апаратах, що є модифікаціями пристрою, запропонованого в 1830 р. Кофі і що носить його ім'я. Відмінності в сортах спиртних продуктів залежать в основному від природи сировини, а також від того, чи піддавався кінцевий продукт витримці. [2]
0. У спиртному виробництві використовуються придатні для цієї мети штами Saccharomyces. Крупні спиртові заводи завжди ведуть свою власну культуру дріжджів в спеціальних середовищах. Вибір штаму дріжджів при виробництві спирту визначається їх продуктивністю в особливих умовах бродячого сусла. Бродіння повинне йти активно з утворенням спирту в кількості, близькій до теоретичної межі. [2]
0. Хоча як сировину можна використовувати всілякі продукти, деякі сорти спирту зазвичай виробляють із сповна певних його типів. Так, коньяк, що отримується при перегонці вина, роблять з винограду, а шотландський віскі — з ячмінного солоду. Інші напої — американський віскі, джин і горілку, які зазвичай роблять із зерна (наприклад, кукурудзи), можна виробляти і на основі іншої відповідної сировини. Ром зазвичай отримують з меласи цукрового очерету або буряка. [2]
0. Коли сировиною служить зерно (наприклад, пшениці або кукурудзи), до зброджування необхідно гідролізувати крохмаль до цукрів. Так, віскі — це продукт перегонки пива без хмелю. Перші стадії процесу виробництва віскі такі ж, що і при приготуванні сусла в пивоварінні. Проте якщо застосовують кукурудзу або інші зернові, то до приготування сусла безпосередньо в бродильних чанах проводять обробку крохмалю в зерні ферментами солоду. [2]
0. Якщо для виробництва спирту використовують меласу, такі попередні операції не потрібні, оскільки вуглеводи в ній містяться у формі, придатній для зброджування. Проте сировину все ж доводиться готувати до процесу: освітлювати, підігрівати і розводити водою, щоб отримати концентрацію цукру, оптимальну для бродіння. [2]
0. Після підготовки сировини додають культуру відповідних дріжджів і ведуть зброджування. В кінці нього, коли концентрація спирту досягне 9—11% (за об'ємом), відокремлюють дріжджі шляхом відстоювання. Залишки їх перед перегонкою можна видалити центрифугуванням. Застосовуються два способи: кубовий і безперервної перегонки. Після цього продукт або відправляють на дозрівання (наприклад, віскі), або проводять завершуючі операції і розливають по пляшках (джин, горілка). Для продажу спиртові продукти зазвичай розводять до стандартної концентрації в них спирту (40% за об'ємом). [2]
0. При виробництві окремих різновидів спиртових продуктів дуже важливо використовувати правильний штам дріжджів. При виробленні рому для виробництва сортів з сильним запахом зазвичай застосовують штами дріжджів Schizosaccharomyces, а з менш інтенсивним — швидко працюючі Saccharomyces. Відзначимо, що процес утворення спирту прискорюється бактеріями Clostridium saccharobutyricum. Самий кращий ром отримують у тому випадку, коли співвідношення бактерій до дріжджів складає 1:5. Культуру бактерій вносять, коли концентрація етанолу досягає 3,5—4,5%, а цукру —6% (вага/об'єм). [2]
0. Штами дріжджів, використовувані в спиртовій промисловості, повинні зберігати життєздатність аж до концентрації етанолу 12—15% (за об'ємом). Крім того, якщо зерно використовується як сировина, дріжджі повинні володіти здатністю гідролізувати низькі олігосахариди до глюкози. Це необхідно для повного перетворення крохмалю на етиловий спирт і вуглекислий газ. [2]
0. Перегонка — дорогий етап процесу, оскільки він енергоємний. Використання дріжджів, що витримують підвищені концентрації спирту, зменшує енерговитрати на цьому етапі, оскільки для досягнення однієї і тієї ж концентрації спирту треба відганяти менше води. Очікується, що робота із створення нових штамів дріжджів, стійких до ще вищих концентрацій спирту, буде успішною. Поки вуглеводи не переведені у форму, що засвоюється дріжджами, бродіння не відбувається. Додавання ферментів, що гідролізують крохмаль, прискорює цей процес. Для цього зазвичай застосовують амілазу з культуральної рідини штамів Bacillus subtilis і амілоглюкозідазу, що виділяється з культур грибів штамів Aspergiltis niger і близьких форм. Ферменти використовуються і під час підготовцки сусла, і при спиртовому бродінні. [1, 2]
0. 3.2 ВИРОБНИЦТВО МІКРОБНОГО БІЛКА.
0. Виробництво мікробної біомаси - найбільше мікробіологічне виробництво. Мікробна біомаса може бути гарною білковою добавкою для домашніх тварин, птиць і риб. Виробництво мікробної біомаси особливо важливе для країн, не культивуючих у великих масштабах сою (соєву муку використовують як традиційну білкову добавку до кормів). [9]
0. При виборі мікроорганізму враховують питому швидкість росту і вихід біомаси на даному субстраті, стабільність при потоковому культивуванні, величину кліток. Клітини дріжджів більші, ніж бактерій, і легше відділяються від рідини при центрифугуванні. Можна вирощувати поліплоїдні мутанти дріжджів з крупними клітинами. На даний момент відомо лише дві групи мікроорганізмів, яким властиві властивості, необхідні для великомасштабного промислового виробництва: це дріжджі роду Candida на n-алканах (нормальних вуглеводнях) і бактерії Methylophillus methylotrophus на метанолі. [9,14]
0. Мікроорганізми можна вирощувати і на інших живильних середовищах: на газах, нафті, відходах вугільної, хімічної, харчової, винно-горілчаної, деревообробної промисловості. Економічні переваги їх використання очевидні. Так, кілограм переробленої мікроорганізмами нафти дає кілограм білка, а, скажемо, кілограм цукру - всього 500 грамів білка. Амінокислотний склад білка дріжджів практично не відрізняється від такого, отриманого з мікроорганізмів, вирощених на звичайних вуглеводних середовищах. Біологічні випробування препаратів з дріжджів, вирощених на вуглеводнях, які проведені і у нас в країні і за кордоном, виявили повну відсутність у них якого-небудь шкідливого впливу на організм випробовуваних тварин. Досліди були проведені на багатьох поколіннях десятків тисяч лабораторних і сі