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
1
5-7 µm
2
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.
3
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.
4
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 80 minut (I pęd), 45 minut (II pęd) i
150 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
5
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.