Роль дріжджів в біотехнології

ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………………….…3

1. Біотехнологія як наука ……………………………………………………..…....5
2. Дріжджі – об’єкти біотехнології………………………………………………...8
0. 2.2 Загальна характеристика дріжджів……………………………………….…9
0. 2.3 Історія досліджень біотехнологічних процесів за участю дріжджів…….12
3. Біотехнологічні виробництва на основі дріжджів…………………………….14

3.1 Виробництво спирту………………………………………………..............14

• 3.3 Особливості застосування дріжджів в пивоварінні та квасоварінні ……18

• 3.5 Виробництво харчових та кормових дріжджів …………………………..23

ЗАКЛЮЧЕННЯ…………………………………………………………………….27

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ…………………………………………………………….29

ВСТУП

У 3 тисячолітті до н.е. шумери виготовляли до двох десятків видів пива. Не менш древніми біотехнологічними  процесами є виноробство, хлібопечення і здобуття молочнокислих продуктів. Древні єгиптяни і різні хети заквашували хліб осадом, що залишився після зціджування пива. Досить скоро в результаті неусвідомленого штучного відбору пивовари і хлебопекарі стали користуватися різними заквасками, хоча і зараз за допомогою пекарних дріжджів можна отримати брагу, придатну як для безпосереднього використання, так і для перегонки в домашніх умовах [2].

У традиційному, класичному, розумінні біотехнологія — це наука про методи і технології виробництва різних речовин і  продуктів з використанням природних  біологічних об'єктів і процесів. Власне сам термін "біотехнологія" з'явився в нашій мові не так давно, замість нього уживалися слова "промислова мікробіологія", "технічна біохімія" і ін. Термін "нова" біотехнологія в протилежність "старій" біотехнології застосовують для розділення біопроцесів, що використовують методи генної інженерії, нову біопроцесорну техніку, і більш традиційні форми. Так, звичайне виробництво спирту в процесі бродіння - "стара" біотехнологія, але використання в цьому процесі дріжджів, що покращуються методами генної інженерії з метою збільшення виходу спирту, - "нова" біотехнологія. Термін «біотехнологія» запропонував угорський інженер Карл Ереки (1917), коли описував виробництво свинини (кінцевий продукт) з використанням цукрового буряка (сировина) як корм для свиней (біотрансформація).  Під біотехнологією К. Ереки розумів «всі види робіт, при яких з сировинних матеріалів за допомогою живих організмів виробляються ті або інші продукти». Все подальші визначення цього поняття - всього лише варіації піонерського і класичного формулювання К. Ерекі [2].

Метою курсової роботи був детальний аналіз даних літератури присвячених вивченню ролі дріжджів в біотехнологічних процесах. Люди виступали в ролі біотехнологів тисячі років: пекли хліб, варили пиво, робили сир, інші молочнокислі продукти, використовуючи різні мікроорганізми і навіть не підозрювали про їх існування. Ймовірніше, прадавнім біотехнологічним процесом було бродіння. На користь цього свідчить опис процесу приготування пива, виявлений в 1981р. при розкопках Вавилона на дощечці, яка датується приблизно 6-м тисячоліттям до н.е. [2].

1. БІОТЕХНОЛОГІЯ ЯК НАУКА.

Біотехнологія як наука  є найважливішим розділом сучасної біології, котра, як і фізика, стала в кінці XX ст. одним з ведучих приорітетів в світовій науці та економіці. [16]

Біотехнологія (від греч. bios — життя, techne — мастерність і logos — слово, вчення), використання живих організмів і біологічних процесів в виробництві. [16]

Біотехнологія – сукупність промислових методів, використовуючих живі організми і біологічні процеси для виробництва цінних продуктів для народного господарства. Розвивається мікробіологічний синтез ферментів, вітамінів, амінокислот, антибіотиків і т.д. Перспективне промислове отримання інших біологічно активних речовин (гормональних препаратів, сполук, стимулюючий імунітет і т.п.) за допомогою методів генетичної інженерії і культури тваринних і рослинних клітин. [16]

Сплеск досліджень з біотехнології в світовій науці стався в 80-х роках, коли нові методологічні і методичні підході забезпечили перехід до ефективного їх використання в науці і практиці і виникла реальна можливість вилучити з цього максимальній економічній ефект. За прогнозами, вже на початку XXIст. біотехнологічні товарі будуть складати чверть всієї світової продукції. У нашій країні значне розширення науково-дослідницьких робіт і впровадження їх результатів у виробництво також було досягнуте в 80-і роки.

У цей період в країні була розроблена і активно здійснювалася  перша загальнонаціональна програма по біотехнології, були створені міжвідомчі біотехнологічні центри, підготовлені кваліфіковані кадри фахівців-біотехнологів, організовані біотехнологічні лабораторії і кафедри в науково-дослідних установах і вузах. Що стосується сучасніших біотехнологічних процесів, то вони засновані на методах рекомбінантних ДНК, а також на використанні іммобілізованих ферментів, клітин або клітинних органел. [16]

В межах курсу біотехнології  можна виділити такі частини:

1. Промислова біотехнологія, де розглядаються загальні принципи здійснення біотехнологічних процесів, відбувається знайомство з основними об'єктами і сферами вживання біотехнології, рядом великомасштабних промислових біотехнологічних виробництв, що використовують мікроорганізми. [10]

2.  Клітинна інженерія — незвичайно перспективний напрям сучасній біотехнології. Учені розробили методи вирощування в штучних умовах (культивування) клітин рослин тварин і навіть людину. Культивування клітин дозволяє отримувати різні коштовні продукти, що раніше добуваються в дуже обмеженій кількості через відсутність джерел сировини. Особливо успішно розвивається клітинна інженерія рослин. Використовуючи методи генетики, вдається відбирати лінії таких клітин рослин — продуцентів практично важливих речовин, які здатні зростати на простих живильних середовищах і в той же час нагромаджувати коштовні продуктів у декілька разів більше, ніж сама рослина. [10]

Біотехнологія знаходить  усе більш широке вживання і в  багатьох галузях промислового виробництва: розроблені методи використання мікроорганізмів  для витягання кольорових благородних металів з руд і промислових відходів, для підвищення нафтовіддачі пластів, для боротьби з метаном у вугільних шахтах. Так, для звільнення шахт від метану учені запропонували бурити свердловини у вугільних пластах і подавати в них суспензію з метаноокислюючихся бактерій. Таким чином удається видалити близько 60% метану ще до початку експлуатації пласта. А недавно знайшли простіший і ефективний спосіб: суспензією з бактерій обприскують породи виробленого простору, звідки найінтенсивніше виділяється газ. [19]

Можливості біотехнології  практично безмежні. Вона сміливо вторгується в самі різні сфери народного господарства. І в недалекому майбутньому, поза сумнівом, ще більш зросте практична значущість біотехнології у вирішенні найважливіших завдань селекції, медицини, енергетики, охорони довкілля від забруднень. [19]

3. Генна інженерія. Вищим досягненням сучасної біотехнології є генетична трансформація, перенесення чужорідних генів і інших матеріальних носіїв спадковості в клітини рослин, тварин і мікроорганізмів, здобуття трансгенних організмів з новими або посиленими властивостями і ознаками. По своїх цілях і можливостях в перспективі цей напрям є стратегічним. Проте для досягнення цих цілей належить здолати величезні труднощі в підвищенні ефективності генетичної трансформації і перш за все в ідентифікації генів, створенні їх банків клонування, розшифровці механізмів полігенної детерміації ознак і властивостей біологічних об'єктів, забезпеченні високої експресії генів і створенні надійних векторних систем. [10]

Сучасна біотехнологія  — це наука про генно-інженерні  і клітинні методи і технології створення  і використання генетично трансформованих  біологічних об'єктів для інтенсифікації виробництва або здобуття нового вигляду продуктів різного призначення. Сучасна біотехнологія тісно стикується з рядом наукових дисциплін, здійснюючи їх практичне вживання або ж будучи їх основним інструментом. [10]

Мікробіологічна промисловість  на даний момент використовує тисячі штамів різних мікроорганізмів. В більшості випадків вони покращені шляхом індукованого мутагенезу і подальшої селекції. [11]

Біотехнологія, або технологія біопроцесів - це виробниче використання біологічних структур для здобуття харчових і промислових продуктів  і для здійснення цільових перетворень. Біологічні структури в даному випадку - це мікроорганізми, рослинні і тваринні клітини, клітинні компоненти: мембрани кліток, рибосоми, мітохондрії, хлоропласти, а також біологічні макромолекули (ДНК, РНК, білки - найчастіше ферменти). [19]

Біотехнологія в цілому є системою прийомів направленого використання процесів життєдіяльності живих організмів для здобуття промисловим способом коштовних продуктів. [12]

2. ДРІЖДЖІ – ОБ’ЄКТИ БІОТЕХНОЛОГІЇ.

Дріжджі — внетаксономічна група одноклітинних грибів, що втратили міцеліальну будову у зв'язку з переходом до проживання в рідких і напіврідких, багатих органічними речовинами субстратах. Об'єднує близько 1500 видів, що відносяться до аскоміцетам та базидіоміцетів. З 500 відомих видів дріжджів першим люди навчилися використовувати Saccharomyces cerevisiae, цей вид найінтенсивніше культивується. До дріжджів, що зброджують лактозу, відноситься Kluyveromyces fragilis, який використовують для здобуття спирту з сироватки. Saccharomycopsis lipolytica деградує вуглеводні і уживається для здобуття білкової маси. Phaffia rhodozyma синтезує астаксантін - каротиноїд, який додає м'якоті форелі і лосося, що вирощуються на фермах, характерний помаранчевий або рожевий колір. [3]

Дріжджі широко розповсюджені  в природі – в воді, ґрунті, в нектарі квітів, в сокотечіях дерев, на поверхні листя рослин, на плодах, на харчових продуктах, в організмі комах, тварин і людини. Candida albicans може обумовлювати захворювання людини – кандидоз. [3]

Легко розмножуючись  на субстратах, які містять доступні розчинні джерела вуглецю (цукри, спирти, органічні кислоти), зокрема, на харчових продуктах, в соках, сиропі, пиві і т.д., дріжджі не викликають утворення токсичних речовин , але змінюють смак, запах і зовнішній вигляд харчових продуктів, викликаючи іх псування. Висока метаболічна активність дріжджів обумовила практичне використання їх в заквасках для хлібопечення, отримання кисломолочних продуктів (Candida kefir), вина, сидру, спирта (Saccharomyces cerevisiae). На  даний момент з дріжджів отримують ліпіди (Rhodotoruia), полісахариди (Aureobasidium polluians), білки (Candida tropicalis), багатоатомні спирти, органічні кислоти (Candida lipolytica), вітаміни (Candida quilliermondii – продуцент рибофлавіну, ферменти. В якості кормових добавок (БВК – білково-вітамінний комплекс) їх застосовують в раціонах сільськогосподарських тварин. В мікробіологічній промисловості розширилося використання дріжджів у зв’язку з їх здатністю зростати на дешевій сировині – вуглеводнях (Candida tropicalis), метанолі (Candida boidinii), етанолі (Hansenula anomala), гідролізатах торфа і деревини (Candida utilis). Таким чином, дріжджі мають велике народногосподарське значення і широко використовуються в практичній діяльності людини. [8]

• 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