Сообщение о дрожжах молочнокислых бактерий

Обновлено: 06.07.2024

Пробиотические и потенциально пробиотические дрожжи

Характеристики и пищевое применение пробиотических дрожжей

Резюме

Пробиотики - это живые микроорганизмы, которые при введении в адекватных количествах приносят пользу здоровью хозяина. Помимо хорошо известных и проверенных молочнокислых бактерий, дрожжи также могут быть пробиотиками. Пробиотические и потенциально пробиотические дрожжи развиваются и создают потенциал для новых пробиотических продуктов с новыми свойствами, которые не предлагаются пробиотиками на основе бактерий, доступными на текущем рынке. В статье дан обзор первых пробиотических дрожжей Saccharomyces cerevisiae var. boulardii, их характеристики, полезные для здоровья виды деятельности и применение в производстве функциональных продуктов питания. Этот вид предлагает такие способности, как улучшение переваривания определенных пищевых ингредиентов, антимикробное действие и даже терапевтические свойства. Помимо Saccharomyces cerevisiae var. boulardii, на этом фоне представлены новые дрожжи с потенциально пробиотическими свойствами. Они интенсивно исследовались в течение последнего десятилетия, и было обнаружено, что некоторые виды обладают пробиотическими характеристиками и способностями. Существуют дрожжи из родов Debaryomyces, Hanseniaspora, Pichia, Meyerozyma, Torulaspora и др., изолированные от пищевых продуктов и окружающей среды. Эти потенциально пробиотические дрожжи можно использовать для производства различных ферментированных продуктов, улучшая их питательные и сенсорные свойства. Из-за интенсивно развивающихся исследований пробиотических дрожжей в ближайшие годы мы можем ожидать многих открытий и, возможно, даже эволюции в сегменте пробиотиков, доступных на рынке.

О понятии "Дрожжи" см. отдельно по ссылке

1. Введение

Пробиотики способны расти при 37°C, выживают в неблагоприятных условиях пищеварительного тракта человека (например, пищеварительные ферменты, панкреатический сок и низкий pH) и способствуют здоровью окружающей среды хозяина, регулируя микробиоту, а также выполняя биологические функции; некоторые также прилипают к слизи эпителиальных клеток кишечника [2]. В последние годы интерес к этой теме возрос; PubMed индексирует более 31 000 статей, в которых используется термин пробиотик, и более 15 000 были опубликованы за последние пять лет (рис. 1), но исследования пробиотических дрожжей составляют незначительную часть этого: менее 850 статей, проиндексированных PubMed за последние 5 лет (рис. 1). Целью публикации является обзор последней информации о пробиотических и потенциально пробиотических дрожжах и их применении в различных видах функционального питания.

2. Свойства идеального пробиотического штамма

Скрининг перспективных кандидатов в пробиотики может быть трудоемким и дорогостоящим, но определенные свойства оказались полезными и позволяют провести первоначальный скрининг in vitro. Эти свойства делятся на две группы - функциональные и технологические. По функциональным характеристикам мы можем выделить четыре основных свойства: способность выживать при доставке в целевой орган, взаимодействие с системами хозяина, антипатогенные свойства и безопасность. Большинство пробиотиков принимаются перорально, чтобы достичь кишечного тракта (желудочно-кишечного тракта) как органа-мишени. Таким образом, они должны пережить переход изо рта в желудочно-кишечный тракт. Это подразумевает скрининг потенциальных пробиотических штаммов на устойчивость к условиям окружающей среды внутри желудочно-кишечного тракта (пищеварительные ферменты, соли желудка и желчных кислот, pH и температура тела хозяина), способность колонизировать слизистые оболочки и способность противостоять микробиоте кишечника (способность к ауто- и коагрегации, гидрофобность поверхности и устойчивость к антибиотикам) [4]. Выбранный штамм также должен быть идентифицирован по видам, типизирован и протестирован с точки зрения безопасности (штамм не может продуцировать токсины, быть патогенным или иметь опасную метаболическую активность) и должен выдерживать производственный процесс [5]. Технологические особенности включают способность легко производить большие количества биомассы, устойчивость к процедурам консервации, таким как лиофилизация с длительным сроком хранения в готовом продукте, генетической стабильностью и отсутствием ухудшения органолептических характеристик конечных продуктов [6,7].

3. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae var. Boulardii

Прим. ред.: дрожжи Saccharomyces cerevisiae var. Boulardii являются близким родственником пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Наиболее очевидным отличием между ними является высокий оптимальный рост S. cerevisiae var. Boulardii в температуре (37°С), которая очень хорошо согласуется с температурой человеческого тела. Еще одна важная особенность - лучшая выживаемость при кислом рН.

История пробиотических дрожжей восходит к началу 20 века, когда Анри Булар (Henri Boulard) выделил оригинальный штамм из фруктов в Индокитае [8]. С 1950-х годов он широко используется в качестве коммерчески доступного лекарства от диареи во всем мире. Таксономическое положение S. cerevisiae var. boulardii спорен [9,10], но в современной литературе и Index Fungorum утверждается, что S. cerevisiae var. boulardii не более чем разновидность S. cerevisiae, близкородственная винным штаммам S. cerevisiae [11,12]. S. cerevisiae var. boulardii первоначально был описан как отдельный вид - Saccharomyces boulardii - но быстрое развитие молекулярной филогенетики в последние годы привело к изменению его классификации, как это произошло со многими видами дрожжей, и в настоящее время он классифицируется как Saccharomyces cerevisiae var. boulardii. Несмотря на некоторые уникальные свойства, его нельзя рассматривать как отдельный вид [13,14]. Согласно Макфарланду (McFarland) [10], существуют некоторые важные различия между S. cerevisiae var. boulardii и S. cerevisiae на физиологическом (т.е. отсутствие способности использовать галактозу в качестве источника углерода и отсутствие способности продуцировать аскоспоры) и молекулярном уровнях (т.е. количество копий отдельных хромосом и генов). Это было подтверждено Edwards-Ingram et al. [13]. Основные различия между этими микроорганизмами представлены в таблице 1.

Таблица 1. Различия между Saccharomycescerevisiae и Saccharomycescerevisiaevar. boulardii.

Edwards-Ingram et al. [16] сообщили, что S. cerevisiae var. boulardii - это штамм S. cerevisiae, который потерял большую часть своих элементов Ty1/2, тогда как данные, полученные Khatri et al., показывают присутствие элементов Ty2 , но отсутствие элементов Ty1 , Ty3 и Ty4 [11]. (Прим. ред. Ty1, 2, 3 и 4 — это Ретротранспозоны или генетические элементы, которые могут самовоспроизводиться в геноме и являются вездесущими компонентами ДНК многих эукариотических организмов). Однако насколько важны эти отличительные свойства S. cerevisiae var. boulardii, поскольку его пробиотическая активность еще полностью не известна. Сравнительный анализ транскриптома, проведенный Pais et al., показывает значительные различия в уровнях экспрессии различных генов между S. cerevisiae var. boulardii и S. cerevisiae в условиях, подобных ЖКТ. Они также предложили 30 генов, которые, как предполагается, связаны с основными пробиотическими свойствами S. cerevisiae var. boulardii, включая гены, связанные с метаболизмом полиамина, ассимиляцией источников углерода и производством ацетата [17]. Список генов, упомянутых Pais et al., представлен в таблице 2. Более того, есть гены с более высоким числом копий у S. cerevisiae var. boulardii, чем у S. cerevisiae, ответственных за синтез белка (RPL31A, RPL41A, RPS24B, RPL2B и RSA3) и реакцию на стресс (HSP26, SSA3, SED1, HSP42, HSP78 и PBS2). Вполне возможно, что эти гены поддерживают повышенную скорость роста, псевдогифальное переключение и более высокую устойчивость к высокому рН. Дублированные и триплицированные гены в основном кодируют белки реакции на стресс, факторы удлинения, рибосомальные белки, киназы, транспортеры и экспорт фтора, что может быть полезно для адаптации к стрессовым условиям. S. cerevisiae var. boulardii также имеет несколько генов с различным числом копий, связанных с псевдогифальным ростом (CDC42, DFG16, RGS2, CYR1, CDC25, STE11, SKM1 и RAS1). Более высокое максимальное количество повторяющихся последовательностей в генах флокуляции (например, FLO1), которые могут влиять на адгезию и способность к флокуляции, также было выявлено у S. cerevisiae var. boulardii [17].

Таблица 2. Гены, предположительно связанные с основными пробиотическими свойствами S. cerevisiae var. boulardii (данные по Pais et al. [17]).

Множественные механизмы (модуляция нормального микробиома кишечника, антагонизм против патогенов, адгезия к слизи, иммунная модуляция и трофические эффекты на желудочно-кишечный тракт) были предложены для пробиотического действия S. cerevisiae var. boulardii [18,19]. S. cerevisiae var. boulardii помогает восстановить нормальную микробиоту кишечника у пациентов после антибактериальной терапии или хирургического вмешательства и может временно заменить естественный микробиом, пока он не восстановится. Среди различных способов противомикробной активности существуют секреция специальных белков, которые расщепляют микробные токсины (например, токсин холеры) или снижают уровни цАМФ , ответственных за диарею, и способность подавлять поверхностные эндотоксины Escherichia coli путем дефосфорилирования. Другие механизмы включают стимуляцию выработки иммуноглобулина А против токсина А Clostridium difficile, деградацию токсина секретируемой протеазой [20,21,22] и модуляцию продукции цитокинов [23]. S. cerevisiae var. boulardii может сохранять целостность барьера энтероцитов за счет стимуляции секреции белков плотных контактов и может уменьшать или исключать патогены из взаимодействия с эпителиальными клетками кишечника путем связывания непосредственно с клетками патогена через остатки маннозы в клеточной стенке дрожжей [20]. Секреция антимикробных соединений в форме пептидов, перекиси водорода и органических кислот занимает видное место среди общепринятых механизмов действия бактериальных пробиотиков, но ни о каком прямом ингибирующем действии на рост бактерий или секрецию антимикробных соединений этим видом не сообщалось [24]. Постулируемые трофические эффекты S. cerevisiae var. boulardii - тоже очень интересный предмет. Среди эффектов особенно стоит выделить такие эффекты, как стимуляция мембраны щеточной каймы; секреция пищеварительных ферментов, например, таких как сахараза-изомальтаза, мальтаза-глюкоамилаза, лактаза-флоризингидролаза, аланин-аминопептидаза, щелочная фосфатаза и переносчиков питательных веществ (натрий-глюкозные транспортные белки), которые могут быть индуцированы полиаминами; и модуляция синтеза жирных кислот с короткой и разветвленной цепью, которые играют различные роли в физиологических и биохимических функциях в различных тканях (кишечнике, печени, жировой ткани, мышцах и головном мозге) [19].

4. Новые штаммы дрожжей с пробиотическим потенциалом.

Таблица 3. Новые потенциально пробиотические штаммы дрожжей.

Сокращения: YBLUCLM, коллекция культур лаборатории биотехнологии дрожжей Университета Кастилья-Ла-Манча; BCCM, Бельгийская координированная коллекция микроорганизмов.

5. Пробиотические и потенциально пробиотические дрожжи в функциональном питании.

Пробиотические дрожжи можно использовать не только для напитков, но и для других продуктов. Swieca et al. предложили использовать S. cerevisiae var. boulardii в качестве пищевой добавки для обогащения ростков фасоли и использования их в качестве носителя для пробиотиков. Эта добавка не повлияла ни на какие свойства проростков, а дрожжи значительно улучшили микробиологическое качество конечных продуктов [58]. Sarwar et al. разработали йогурт-симбиотик с S. cerevisiae var. boulardii и инулином. Комбинация дрожжей и инулина увеличила количество полезных летучих соединений и улучшила текстуру продукта по сравнению с обычным контрольным йогуртом [59]. Дрожжи и молочнокислые бактерии (МКБ) часто выделяются вместе из различных спонтанно ферментированных продуктов 66. Karaolis et al. исследовали потенциальное применение S. cerevisiae var. boulardii в качестве пробиотика в козьем йогурте с заквасочными культурами молочнокислых бактерий. Авторы указали, что S. cerevisiae var. boulardii способствовали росту МКБ, и его концентрация оставалась стабильной в течение всего периода хранения [69]. Подобные взаимно стимулирующие взаимодействия между S. cerevisiae var. boulardii и МКБ происходят при ферментации закваски [70]. Xu et al. описали взаимодействие между Lactobacillus и Saccharomyces cerevisiae. Взаимодействие является сложным и зависит от состава и процесса производства ферментированных продуктов. Обычно отношения между МКБ и дрожжами мутуалистичны для обеих групп микроорганизмов; однако это не всегда означает положительное влияние на конечный продукт. Например, яблочно-молочная ферментация, осуществляемая Lactobacillus в вине и пиве, может быть желательной и полезной для некоторых типов напитков, таких как кислое пиво, но в большинстве случаев подкисление рассматривается как дефект продукта, часто вызываемый загрязнением в процессе производства [71,72,73]. S. cerevisiae секретирует несколько факторов роста, таких как углекислый газ и аминокислоты, которые стимулируют рост Lactobacillus; высвобождение диоксида углерода обеспечивает локальную микро-анаэробную среду, предпочитаемую Lactobacillus spp. [74]. Дрожжи также выделяют аминокислоты, такие как треонин, глутамин, аланин, глутамат, серин и глицин, способствуя росту МКБ и позволяя МКБ расти в среде, которая в противном случае была бы невозможна [75]. В кисломолочных продуктах Lactobacillus разлагает лактозу (основной сахар в молочных продуктах, который S. cerevisiae не может метаболизировать) до галактозы, обеспечивая источники углерода для дрожжей. Помимо галактозы, молочная кислота, продуцируемая МКБ, также может использоваться в качестве источника углерода в аэробных условиях, в то время как ассимиляция молочной кислоты в этих условиях может стимулировать определенные виды Lactobacillus к производству большего количества кефирана - пищевого биополимера с потенциалом для использования в пищевых продуктах и биомедицине [68,70,76,77,78,79]. Более того, пробиотические и потенциально пробиотические дрожжи можно использовать при ферментации зерновых продуктов. Потребление цельнозерновых продуктов из зерна имеет много преимуществ, но цельнозерновые продукты содержат много антинутриентов. Баник и др. сообщили о возможности использования пробиотических заквасок S. cerevisiae APK1 в качестве биообогащения мультизерновых субстратов, используемых в качестве основы для традиционных индийских блюд. Ферментированный продукт показал значительное улучшение прироста содержания белка, клетчатки и крахмала и снижение уровня антинутриентов. Кроме того, во время ферментации антиоксидантный потенциал, общий фенольный уровень и общее содержание флавоноидов увеличиваются [80]. Кроме того, пробиотики Saccharomyces оказывают интересное благотворное влияние на пищевую ценность продуктов растительного происхождения, поскольку они синтезируют фолаты и устраняют фитаты и другие антинутриенты. Ферменты - фитазы, вырабатываемые этими дрожжами, - увеличивают биодоступность и усвоение основных минералов, таких как железо, цинк, магний и фосфор [81]. Еще одно преимущество S. cerevisiae var. boulardii могут быть его антимикробными свойствами и способностью разлагать микотоксины, такие как афлатоксины, патулин, охратоксин А и другие [82,83]. Naimah et al. сообщили, что противомикробные пептиды, выделенные из S. cerevisiae var. boulardii подавляют рост Bacillus cereus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus [84]. Goktas et al. также сообщили об антимикробной активности против Salmonella Typhimurium, Yersinia enterocolitica, Candida albicans, Alternaria alternata и Aspergillus flavus в штаммах S. cerevisiae var. boulardii, выделенных из коммерческих пищевых добавок [85].

Помимо S. cerevisiae var. boulardii в производстве новых функциональных продуктов, пробиотический штамм Pichia kudriavzevii OG23 был использован Ogunremi et al. для производства ферментированных продуктов на основе злаков. Они сообщили о повышенной антиоксидантной активности и разнообразии вкусовых добавок. Они также предложили возможность использовать продукты на основе злаков в качестве средства доставки пробиотиков [86]. Amorim et al. сравнили S. cerevisiae var. boulardii и Meyerozyma caribbica для производства ананасовых напитков и свойства напитков. Результаты показывают, что два штамма M. caribbica, выделенные из кожи ананаса, показали желаемые пробиотические свойства in vitro, аналогичные эталонному пробиотическому штамму S. cerevisiae var. boulardii. Штамм 9D M. caribbica был выбран для использования в исследовании ферментации. Полученный напиток обладал высокой антиоксидантной активностью, и данные показывают, что процесс ферментации не повлиял на антиоксидантную активность. Напиток, полученный с использованием штамма 9D, также обладал хорошими сенсорными характеристиками и был хорошо принят потребителями по сравнению с напитком, полученным путем ферментации с использованием S. cerevisiae var. boulardii [48]. В таблице 4 показаны примеры новых пробиотических и потенциально пробиотических штаммов для потенциального применения в пищевых продуктах.

Таблица 4. Новые пробиотические и потенциально пробиотические штаммы дрожжей для потенциального применения в продуктах питания.

Имеется немало указаний на стимулирующее действие дрожжей по отношению к молочнокислым бактериям. С. А. Королев (1932) констатировал консервирующее действие дрожжей на жидкие культуры (в молоке) молочнокислых бактерий. Молочнокислые бактерии в смешанной культуре с дрожжами сохраняли активность в течение многих месяцев без перевивок при комнатной температуре. По наблюдениям С. А. Королева, “защитное” действие дрожжей не зависит от их способности к образованию спирта. С. А. Королев указывает на следующие теоретически возможные причины “защитного” действия дрожжей:

изменение рН среды вследствие образования щелочных продуктов и прямого потребления кислоты;

изменение состояния белковой части молока в результате протеолиза. который вызывают дрожжи при совместном развитии с молочнокислыми бактериями;

выделение ферментов или витаминов.

Сообщество молочнокислых бактерий и дрожжей широко распространено в природе. Оно наблюдается не только в молочных продуктах, но и в других естественных субстратах: вине и виноматериалах (Е. И. Квасников, 1960), тесте (Г. Л. Селибер и А. Л. Бычковская, 1956). силосе (М. М. Макарова, 1962), содержимом кишечника (В, В. Леонович, М. П. Бибердиева, 1964). По данным Е. И. Кваспикова, устойчивость молочнокислых бактерий к этиловому спирту — основному продукту брожения дрожжей — значительно выше, чем у самих дрожжей и большинства немолочнокислых бактерии. Некоторые молочнокислые бактерии, выделенные из вина, выдерживали содержание в среде до 20—22% спирта. Молочнокислые бактерии, выделенные из молочных продуктов, были несколько чувствительнее к спирту, но все же выдерживали достаточно высокие его концентрации — до 12—18% (Е. И. Квасников, 1960). Дрожжи в свою очередь проявляют высокую устойчивость к молочной кислоте — основному продукту жизнедеятельности молочнокислых бактерий.

Естественные закваски более устойчивы к неблагоприятным условпям, чем закваски на чистых культурах. Возможно это объясняется тем, что естественные закваски, как правило, содержат дрожжи. Примером прочных симбиотическцх взаимоотношений между молочнокислыми бактериями и дрожжами является кефирный грибок.

Совместно с палочками типа Streptobacterium дрожжи могут сохраняться в молоке продолжительное время без заметного снижения количества. То же наблюдается при совместном культивировании в молоке ацидофильных бактерий с дрожжами.

Опыты по сквашиванию молока совместными культурами стрептококков и дрожжей показали, что количество дрожжей в закваске не должно превышать 50 тыс./мл. В противном случае в закваске отмечался дрожжевой привкус, иногда — газообразование. В результате длительного совместного культивирования с дрожжами молочнокислые бактерии нередко изменяют свои морфологические, культуральные и биохимические свойства. Так, ацидофильные палочки из S-формы переходят в R-форму. При этом повышается их энергия кислотообразования и антибиотическая активность (Н. С. Королева, 1959; М. С. Полонская и др. 1958). По данным Л. А. Банниковой (1953), при культивировании молочнокислых стрептококков с молочными дрожжами существенно изменялась биохимическая активность стрептококков, повышалась энергия кислотообразования и снижалась или утрачивалась способность к образованию ацетоина и летучих кислот. Совместное культивирование с дрожжами позволяет длительное время (до 3—6 месяцев) сохранить жизнеспособность молочнокислых бактерий. Взаимоотношения между молочнокислыми бактериями и дрожжами могут быть не только симбиотическими. Описаны случаи, когда при определенных условиях (в заквасках для хлеба и силоса) молочнокислые бактерии проникают в дрожжевые клетки и разрушают их, выступая в роли антагонистов (С. А. Ковровцева, 1937, М. М. Макарова, 1962). Е. И. Квасников (1960) установил, что молочнокислые палочки проникают в дрожжевые клетки только при сравнительно высоких рН (около 6) и в средах, на которых молочнокислые бактерии испытывают недостаток в азотном питании.

В некоторых случаях угнетающее действие на дрожжи оказывают и молочнокислые стрептококки. При культивировании закваски, состоящей из стрептококков и дрожжей, сбраживающих лактозу, последние полностью исчезали через 10 пересадок.

Подавляющее действие препарата полилактона, выделенного из молочнокислых бактерий, на дрожжи типа Candida установлено С. Коматсу и Т, Суяма (1969).

изменение рН среды вследствие образования щелочных продуктов и прямого потребления кислоты;

выделение ферментов или витаминов.

Весной все оживает. В растениях появляются сладкие соки, в коровах и овцах — молоко, а в молоке — дрожжи. И неудивительно. Дрожжи — известные сладкоежки и любой сахар превращают в спирт. Бактериям спирт вреден, а людей он радует, поэтому продукты дрожжевого брожения оценили во всех концах мира. Так дрожжи прижились в средах, созданных человеком: вине, пиве и сброженных молочных продуктах (кефире, сырах, кумысе).

Естественно, к новым условиям пришлось приспосабливаться. Пивные дрожжи, например, научились усваивать специфичный для пива сахар мальтотриозу, состоящий из трех молекул глюкозы. Винные дрожжи приобрели устойчивость к медному купоросу и бордоской смеси, которыми обрабатывают виноградники, и к сульфитам, консервирующим вино. Это существенные изменения, однако они ничто по сравнению с тем, на что пошли молочные дрожжи. Ради любви к молоку они фактически изменили своим принципам.

Принципы сахаромицетов

Самые известные и распространенные одомашненные дрожжи Saccharomyces cerevisiae и их дикие родственники предпочитают глюкозу. Если предложить им смесь сахаров, то сначала дрожжи съедят глюкозу и только потом примутся за остальные углеводы.

Глюкоза — лучший источник АТФ , поэтому желающих поживиться этим сахаром много и конкуренция за нее жесткая. Какие только микроорганизмы не вырастают на сладкой капельке! Приходится S. cerevisiae бороться с конкурентами. Способ, который они для этого избрали, довольно традиционный: соседей зашугать, а самим быстро-быстро есть. Обычно дрожжи превращают глюкозу в спирт при недостатке кислорода. Если кислорода много, из глюкозы образуются углекислый газ и вода. Так ведут себя дрожжи, живущие на поверхности плодов или на коре дерева, орошенной соком. В 1927 году английский биохимик Герберт Грейс Кребтри обнаружил, что при большом количестве глюкозы S. cerevisiae, несмотря на аэробные условия, все равно образуют спирт. Сладость стимулирует брожение. Этот феномен так и назвали — эффект Кребтри. Поскольку глюкозы в среде много, брожение в сладких средах происходит быстро и концентрация спирта в них резко возрастает. Спирт токсичен для бактерий, посягающих на глюкозу, они погибают, и дрожжи могут беспрепятственно лакомиться, благо выдерживают гораздо большую концентрацию этанола. По-видимому, эффект Кребтри развился у дрожжей 125–150 миллионов лет назад, когда появились цветковые растения, наполненные сладким соком. Такая стратегия позволяла отвоевать у многочисленных бактерий нектар, однако она себя не оправдывает, если дрожжи выбирают для жительства молоко.

Начнем с того, что в молоке нет свободной глюкозы. Она там присутствует в составе дисахарида лактозы, а дрожжи едят только моносахара. Чтобы расщепить лактозу на галактозу и глюкозу, нужен фермент лактаза (бета-галактозидаза), которого у S. cerevisiae нет. Зато он есть у молочнокислых бактерий Lactobacillus, и дрожжи в молоке соседствуют с лактобациллами. Но если они будут, по своему обыкновению, отнимать у лактобацилл глюкозу и притравливать их спиртом, то останутся без помощников. Некому будет расщеплять лактозу, и дрожжи умрут с голоду. Поэтому молочные штаммы S. cerevisiae отказались от преимущественного потребления глюкозы в пользу лактобацилл, а сами переориентировались на менее востребованное соединение, галактозу (см. рисунок).

Прежде чем дрожжи сделают из сахара спирт, они превращают его в глюкозо-6-фосфат

Легко сказать — уступить глюкозу соседу, а как это сделать? Чтобы дрожжевая клетка могла потребить сахар (любой), она должна затащить его из окружающей среды внутрь через клеточную мембрану. Эту функцию выполняют особые белки-транспортеры (пермеазы). Если S. cerevisiae не хотят питаться глюкозой, проще всего не пускать ее в клетку. И молочные штаммы избавились от специфичных глюкозных транспортеров, а вместо этого обзавелись очень активным транспортером галактозы. Чтобы он эффективнее работал, ген этого белка удвоен. Но транспортерами дело не ограничилось.

Обычно S. cerevisiae используют галактозу как резервный сахар, поскольку растут на ней гораздо медленнее, чем на глюкозе. Это неудивительно. Ведь галактозу, как любой моносахарид, перед употреблением нужно превратить в глюкозо-6-фосфат (см. рисунок), что требует дополнительного времени и работы пяти ферментов. Гены, позволяющие сахаромицетам расти на галактозе, обычно не работают и включаются лишь тогда, когда глюкоза кончается, а галактоза появляется. Незачем клетке синтезировать белки, которые она не использует.

Галактозные гены молочных сахаромицетов работают, во-первых, существенно активнее, а во-вторых, постоянно, даже когда галактозы в среде нет. Это объяснимо. Дрожжи, живущие на молочных фермах, на стенках сосудов, куда время от времени вливают молоко, должны быть готовы в любую минуту получить новую порцию. Промедление может стоить им жизни, потому что, пока дрожжи будут раскочегаривать синтез нужных ферментов, конкурирующие микроорганизмы сожрут всю лактозу, и S. cerevisiae погибнут от голода. Молочные штаммы S. cerevisiae растут на галактозе значительно лучше, чем винные или пекарские. По-видимому, они получили свой эффективный набор галактозных генов от родственных видов сахаромицетов в результате межвидовой гибридизации. Такая передача называется интрогрессией.

Переход на преимущественно галактозное питание не означает, что молочные сахаромицеты вообще отказались от глюкозы. Галактозная пермеаза хоть и с малой эффективностью, но поставляет глюкозу в дрожжевую клетку. Когда галактоза закончится, молочные дрожжи смогут воспользоваться глюкозой.

Итак, чтобы избежать конкуренции с бактериями-помощниками, дрожжи отказались от преимущественного потребления глюкозы и пошли на существенную перестройку генома. Они распростились с двумя генами глюкозных пермеаз, приобрели новые гены, необходимые для галактозного метаболизма, и один из них удвоили. Столько усилий, чтобы прижиться на молоке!

Где это случилось, точно неизвестно. Молочные штаммы S. cerevisiae встречаются по всему Старому Свету, от Казахстана до Франции и Марокко. По мнению французских, испанских и португальских исследователей, они произошли от природных популяций, живущих на коре средиземноморских дубов. А китайские ученые убеждены, что центр одомашнивания дрожжей, в том числе молочных, находится в Китае. Ну ладно, не в Китае, но уж на Дальнем Востоке точно. Там уже несколько тысяч лет делают кумыс.

Молоко стало обычным продуктом около десяти тысяч лет назад, когда люди перешли от собирательства к сельскому хозяйству. Его становилось все больше, в нем до 4% лактозы, и освоение такой ценной питательной среды, безусловно, стоило затраченных усилий. Меж тем другие дрожжи, клюйверомицеты, научились любить молоко ценой меньших жертв.

Приказано расщепить

Клюйверомицеты и сахаромицеты — родственники настолько близкие, что их долго относили к одному роду. Только в 1956 году Kluyveromyces выделили в отдельный род, названный в честь голландского биохимика и микробиолога Альберта Яна Клюйвера. Туда попали шесть видов, два из которых, K. marxianus и K. lactis, замечательны своей способностью самостоятельно расти на лактозе. Это значит, что им, в отличие от молочных сахаромицетов, не нужно поступаться принципами, отказываться от глюкозы и терпеть конкурентов.

Как мы помним, чтобы дрожжи могли усваивать лактозу, ее нужно расщепить и затащить моносахариды в клетку. Клюйверомицеты изменили порядок действий. Сначала они поглощают лактозу, для чего обзавелись лактозной пермеазой. А еще у них есть собственная лактаза, которая расщепляет поглощенный дисахарид на глюкозу и галактозу. После этого оба моносахарида готовы к употреблению. Клюйверомицеты неплохо растут на галактозе, но предпочитают все же глюкозу. Поскольку клюйверомицеты не нуждаются в помощи лактобацилл, у них нет необходимости делиться с ними глюкозой, и они выбирают более эффективный источник энергии. Глюкозные транспортеры у этих дрожжей сохранились, поэтому они хорошо растут на глюкозных средах. Глюкоза частично подавляет галактозный метаболизм, в одних штаммах сильнее, в других — слабее.

Известны три генетических варианта K. marxianus, но лишь у одного из них лактозная пермеаза настолько активна, что позволяет клеткам поглощать лактозу. Остальные живут на растениях. Помимо лактазы, они содержат другие ферменты, позволяющие им расщеплять многие полисахариды, в том числе полимер фруктозы инулин и пектин, образованный преимущественно остатками галактуроновой кислоты. Их находят на гниющих листьях, в глотке больных тонзиллитом, даже в экскрементах. Видовое название эти дрожжи получили в честь человека по фамилии Маркс, который в 1888 году выделил их с поверхности виноградин. При определенных условиях K. marxianus синтезируют этанол, их используют для производства спиртных напитков, в том числе традиционной мексиканской текилы.

Второй лактозоедный вид клюйверомицетов, K. lactis, существует в двух вариантах. У K. lactis var. drosophilarum генов лактазы и лактозной пермеазы нет, соответственно лактозу они не усваивают, а K. lactis var. lactis имеют оба лактозных гена, которые, судя по анализу геномной последовательности, получили от K. marxianus. Интрогрессия имела место не более 37 тысяч лет назад, но не позже 3700 лет назад. То есть она вполне могла произойти в то время, когда люди одомашнили молочный скот и вовсю ели сыр и другие продукты из переработанного микроорганизмами молока. По результатам исследования ископаемых зубов, молочные продукты занимали значительное место в человеческом рационе уже 5500 лет назад. Возможно, первые скотоводы поспособствовали отбору клюйверомицетов, растущих на молоке.

K. marxianus — ценный для пищевой промышленности вид, поскольку усваивает основные сахара, а именно лактозу и инулин, и очень быстро растет. Клетки удваиваются примерно раз в 70 минут, причем выдерживают нагрев до 52°С, что важно при некоторых производственных процессах. Эти дрожжи содержат витамины и ароматические соединения. Особо ценен 2-фенилэтанол, пахнущий розовыми лепестками. Некоторые штаммы используют для ароматизации продуктов и как пекарские дрожжи.

В конце прошлого века в Китае додумались до выпуска молочного пива. Делают напиток в два этапа. В первом участвуют молочнокислые бактерии, потом от них избавляются и добавляют дрожжи S. cerevisiae. Выпускают несколько сортов молочного пива, однако вкус у всех одинаковый. Производители надеются, что напиток станет приятнее и дешевле, если использовать для брожения K. marxianus. Сейчас китайские исследователи подобрали подходящий штамм, который позволяет получить очень приятное на вкус пиво, к тому же низкоалкогольное. Содержание спирта в нем составляет всего 0,48%, меньше, чем в хорошо выдержанном кефире (0,88%). В большинстве обычных видов пива содержится 3–5,5% этанола. Низкое содержание алкоголя в молочном пиве производители считают достоинством.

Возможно, истинное призвание K. lactis и K. marxianus состоит не в спиртовом брожении, а в получении безлактозных молочных продуктов. Лактозу не переносят две трети населения планеты и 98–100% жителей Юго-Восточной Азии, однако отказываться от молочных продуктов жалко: они содержат кальций, фосфор, холин, рибофлавин, витамины А и В₁₂. Неудивительно, что ассортимент безлактозных молочных продуктов постоянно увеличивается, их популярность стремительно растет, рынок активно развивается даже в тех странах, где большинство населения толерантны к лактозе. Значительную часть лактозы удаляют промыванием — она хорошо растворяется в воде. С расщеплением молочного сахара хорошо справляются молочнокислые бактерии, однако кисломолочные продукты не вполне свободны от лактозы. Тут и приходят на помощь клюйверомицеты.

Из дрожжей получают лактазу; фермент продают в капсулах, таблетках и каплях, которые дают возможность обработать молоко в домашних условиях или расщепить лактозу прямо в желудке. Молоко после ферментативной обработки теряет 70–100% лактозы и становится сладким, потому что в нем много освобожденной глюкозы. Следовательно, в безлактозные молочные продукты можно добавлять на 15–20 г/кг меньше сахара, и вкус при этом не изменится, а калорийность уменьшится. Здорово! А мороженое полезно обрабатывать лактазой безотносительно к переносимости молочного сахара. Если его концентрация будет высокой, велика вероятность, что лактоза при замораживании кристаллизуется, а это плохо. Мороженое, в котором на зубах похрустывают кристаллики, есть неприятно.

Исследования показывают, что безлактозное молоко вкуснее соевого, дети пьют его с большим удовольствием, и кальций из него усваивается лучше.

Лактозу приходится расщеплять не только в молоке, но и в сточных водах. Обычно степень загрязнения оценивают по количеству кислорода, необходимого для ее окисления. Для окисления одного литра сыворотки нужно около 50 г кислорода (для окисления такого же количества бытовых сточных вод — всего 0,3 г). В загрязненных сывороткой водоемах мало кислорода, животные и растения там погибают. Отходов молочного производства просто море. Раньше не знали, куда их девать, а теперь на них растут клюйверомицеты и расщепляют лактозу — весьма кислородоемкий компонент сыворотки. Тут важно правильно подобрать условия. При хорошей аэрации эти дрожжи образуют биомассу, которую используют как корм для животных, сырье для получения ферментов и дрожжевого экстракта.

При определенных условиях клюйверомицеты синтезируют спирт, поэтому их пытаются использовать для производства биоэтанола все из той же молочной сыворотки. Для этого содержание лактозы в сыворотке повышают до 10–13 весовых процентов и проводят ферментацию при температуре 24–34°С. Лактозу можно расщепить почти полностью и добиться 75–85%-ного выхода этанола, то есть 538 г спирта на килограмм усвоенной лактозы. Концентрация алкоголя в сыворотке достигает 5–6%. К сожалению, такой сывороточный спирт пока обходится дорого, так что для получения биотоплива ферментация лактозы не подходит.

И сахаромицеты, и клюйверомицеты смогли расти на молоке после того, как получили набор необходимых генов в результате межвидовой гибридизации. Их пример вдохновляет исследователей, и они пытаются получить S. cerevisiae, которые могли бы расти на лактозе. Для пищевого производства дрожжей требуется много, и на чем-то их нужно выращивать. На традиционных питательных средах, таких как патока, пекарские дрожжи растут плохо, и запах от них не очень хороший. Патока представляет собой сложную смесь углеводов, и не все они годятся дрожжам в пищу. И пока S. cerevisiae не съедят всю глюкозу, остальные углеводы они трогать не станут. Это неэффективно, и пекарские дрожжи на такой среде растут хуже, чем могли бы. А когда дрожжам скармливают лактозу, глюкоза, образующаяся внутри клетки, быстро ассимилируется и никогда не достигает такой концентрации, которая полностью подавляет утилизацию галактозы. В конце 1990-х годов испанские ученые ввели S. cerevisiae комплекс лактозных генов K. lactis. Они получили штаммы, которые хорошо росли на молочной сыворотке и синтезировали этанол.

Дрожжи живут практически везде. Они в состоянии усвоить почти любой сахар и переработать его в спирт. А если сделать это сразу почему-то не удается, дрожжи найдут выход: откажутся от старых генов, добудут новые, но своего добьются.

Закваска — это способ приготовления хлеба с помощью ферментации молочнокислыми бактериями и дикими дрожжами. Это самый старинный метод, используемый для заквашивания теста. Это и наука, и искусство одновременно, и потому требует времени.

Но этот способ помогает создать удивительный хлеб с множеством преимуществ:

увеличенный срок годности при хранении

улучшенная питательная ценность

уникальные вкус и аромат

Содержание

Происхождение хлеба на закваске

История хлеба на закваске восходит к самым ранним цивилизациям, когда зерновые культуры перестали быть дикими и стали культивироваться. Некоторые историки утверждают, что этот хлеб возник в Египте между 4000-3000 годами до н. э. Он всегда был тесно связан с жизнедеятельностью человека. А хлеб на закваске — это прекрасный пример того, как знания в сочетании с сельскохозяйственной практикой и технологическими процессами становятся культурным наследием, которое передается поколениям.

Как работает заквасочный метод

Закваска — это субстанция, которая состоит только из муки и воды. Традиционно для её изготовления используется ржаная или пшеничная мука.

Смешивание ингредиентов можно проводить самопроизвольно в течение заданного времени. Заквашивание происходит благодаря естественным микроорганизмам, присутствующим как в муке, так и в окружающем воздухе. Эти микроорганизмы представляют собой колонии молочнокислых бактерий (МКБ) и диких дрожжей. В настоящую закваску не добавляют коммерческие дрожжи.

После того, как микрофлора закваски должным развилась, она считается стартером оптимальной жизненной силы и активности. После этого её можно использовать в производстве хлеба.

Чтобы закваска оставалась активной, её необходимо периодически освежать (подкармливать) мукой и водой. Это можно делать еженедельно, ежедневно или даже чаще. Стартер может жить вечно, если правильно его кормить.

О микрофлоре закваски

В следующей таблице приведены обобщенные данные о микроорганизмах, выделенных и участвующих в этом виде ферментации.

Род микроорганизмов и их типы

Вид брожения

В каких процессах участвует

Молочнокислое брожение

Глюкоза, фруктоза, мальтоза → молочная кислота (>90% от общего количества продуктов)

Создание микрофлоры закваски-стартера
Подкисление и созревание теста
Создание кислинки в хлебе
Продление срока хранения путем снижения pH
Улучшение текстуры

Молочнокислое брожение

Глюкоза, фруктоза, мальтоза → молочная кислота + уксусная кислота + углекислый газ

Спиртовое брожение

Глюкоза, фруктоза, мальтоза → этиловый спирт + углекислый газ

Закваска стартеры (дикие дрожжи)
Заквашивание теста
Развитие аромата и вкуса

Более устойчивы к кислотности по сравнению с коммерческими дрожжами. Поэтому лучше адаптируется к процессу ферментации

Род
микроорганизмов
и их типы

Вид брожения

В каких процессах участвует

Молочнокислое брожение

Глюкоза, фруктоза, мальтоза → молочная кислота (>90% от общего количества продуктов)

Создание микрофлоры закваски-стартера
Подкисление и созревание теста
Создание кислинки в хлебе
Продление срока хранения путем снижения pH
Улучшение текстуры

Молочнокислое брожение

Глюкоза, фруктоза, мальтоза → молочная кислота + уксусная кислота + углекислый газ

Создание микрофлоры закваски-стартера
Ферментация теста
Производство уксусно-кислых вкусов

Спиртовое брожение

Глюкоза, фруктоза, мальтоза → этиловый спирт + углекислый газ

Закваска стартеры (дикие дрожжи)
Заквашивание теста
Развитие аромата и вкуса

Читайте также: