Cwiczenia-Charakterystyka drożdży-2017

Cwiczenia-Charakterystyka drożdży-2017.doc
(1656 KB) Pobierz
Ćwiczenia
CHARAKTERYSTYKA DROŻDŻY I ICH ZASTOSOWANIE W PRZEMYŚLE
1. Budowa komórek drożdży.
2. Sposoby rozmnażania drożdży,
a.) rozmnażanie bezpłciowe – wegetatywne,
b.) rozmnażanie płciowe – generatywne.
3. Zastosowanie drożdży.
4. Drożdże jako zanieczyszczenia mikrobiologiczne.
5. Systematyka drożdży.
6. Ascomycotes – workowce.
7. Deuteromycetes – grzyby niedoskonałe.
8. Klasyfikacja drożdży.
9. Drożdże killerowe.
1. BUDOWA KOMÓRKI DROŻDŻY
Według obecnie obowiązującej systematyki wszystkie grzyby (drożdże i pleśnie) zaliczamy do
królestwa Mycota (Fungi), do domeny: Eucarya, czyli organizmów żywych posiadających wyraźnie
uformowane jądro komórkowe otoczone błoną jądrową. Grzyby są organizmami
chemoorganoheterotroficznymi, nie zawierają barwników fotosyntetyzujących. Są tlenowcami i
zdobywają energię dzięki utlenianiu związków organicznych. Niektóre są groźnymi pasożytami ludzi,
zwierząt i roślin. Jeżeli rozmnażają się w żywym ustroju zwierzęcym lub roślinnym nazywamy je
pasożytami, natomiast jeśli pobierają pokarm z martwej substancji organicznej są saprofitami
(roztocza). Pewne gatunki są wykorzystywane dla potrzeb człowieka, inne z kolei są szkodliwe.
Głównym siedliskiem grzybów jest gleba i obumarłe szczątki roślin, spotyka się również gatunki
wodne.
Drożdże
Drożdże są organizmami jednokomórkowymi o kształcie okrągłym, elipsoidalnym, jajowatym lub
cylindrycznym. Kształt i wielkość komórki drożdży zależy nie tylko od gatunku, ale również od
warunków
i wieku hodowli. Komórki drożdży osiągają zwykle rozmiary: 2-7μm szerokości, 3-10μm długości.
Drożdże rozwijają się najlepiej na podłożach zawierających cukry (w warunkach laboratoryjnych do
hodowli drożdży używa się podłoży z brzeczką lub ekstraktem drożdżowym. Optymalne warunki dla
ich rozwoju to: 25-30ºC, pH 4.0-6.0. Drożdże asymilując cukry zawarte w podłożu, w warunkach
tlenowych utleniają je do CO2 i H2O. W warunkach beztlenowych prowadzą fermentację alkoholową.
Komórka drożdży zbudowana jest ze ściany komórkowej, błony cytoplazmatycznej, cytoplazmy,
jądra komórkowego, wakuoli i substancji zapasowych. W komórce drożdży wyróżniamy również
mitochondria, lizosomy, rybosomy i aparat Golgiego.
Ściana komórkowa wykazuje budowę warstwową. Od zewnątrz zbudowana jest głównie z mannanu
i białka, środkową warstwę stanowi glukan, natomiast wewnętrzną wraz z plazmolemmą (błoną
cytoplazmatyczną) tworzą substancje białkowe. Funkcją ściany jest utrzymanie odpowiedniego
kształtu komórki. Młode komórki drożdży opatrzone są cienką i elastyczną ścianą, która przyrasta i
sztywnieje wraz z wiekiem komórki.
Błona cytoplazmatyczna jest to półprzepuszczalna warstwa zbudowana głównie z białek i
fosfolipidów otaczająca cytoplazmę, wraz ze wszystkimi organellami. Reguluje ona transport
substancji do i z komórki. Cytoplazma w młodej komórce drożdżowej ma jednolitą strukturę i
stanowi ponad 50% jej objętości. W cytoplazmie zachodzi większość przemian enzymatycznych, w
wyniku których następuje rozkład lub synteza związków niezbędnych do funkcjonowania komórki.
Wakuole (wodniczki) pojawiają się w komórce w miarę procesu starzenia. Są to struktury wypełnione
wodnym roztworem soli organicznych, białek, cukrowców i innych związków. Funkcja wakuoli
polega na segregacji w komórce substancji użytecznych i odpadowych. Pozwalają na regulację
wewnątrzkomórkowego ciśnienia osmotycznego np. poprzez odwracalną krystalizację i
rozpuszczanie nadmiaru nagromadzonej soli.
Jądro komórkowe ma kształt owalny i średnicę około 2,5 μm. Charakteryzuje się gruzełkowatą
strukturą, w jego skład wchodzą nukleoproteidy. Zjawisko dzielenia się jądra odgrywa główną rolę w
procesie rozmnażania komórek.
Substancje zapasowe są odkładane w cytoplazmie komórek drożdży rozwijających się w podłożach
obfitych w substancje odżywcze w postaci:
wolutyny — substancji o charakterze polifosforanu,
glikogenu — rezerwowego węglowodanu, jego obecność świadczy o dobrym odżywieniu komórek.
tłuszczu — substancji zapasowej występującej w postaci kropli zawieszonych w cytoplazmie lub
wakuoli
2. ROZMNAŻANIE DROŻDŻY
Rozmnażanie bezpłciowe - wegetatywne
Pączkowanie - Pączkowanie jest to rodzaj rozmnażania bezpłciowego występujący u drożdży m.in.
z rodzajów: Saccharomyces, Rhodotorula, Candida. Proces ten rozpoczyna się uwypukleniem ściany
komórkowej na powierzchni komórki macierzystej. W komórkach o kształcie podłużnym
uwypuklenia powstają na końcach, natomiast w komórkach kulistych w dowolnym miejscu na
powierzchni. W komórce macierzystej zachodzi mitotyczny podział jądra na dwa potomne. Jedno
jądro wraz z częścią cytoplazmy dyfunduje do powstałego uwypuklenia, zwanego pączkiem.
Pączek stopniowo powiększa się i zostaje oddzielony od komórki macierzystej błoną
cytoplazmatyczną
i ścianą komórkową (nie zawsze zaraz następuje oddzielenie nowych powstałych komórek, często
pod mikroskopem są widoczne pączkujące drożdże). W ten sposób wykształca się komórka potomna,
która może oddzielić się od komórki macierzystej stanowiąc samodzielny organizm (Saccharomyces
sp., Rhodotorula sp., Hansenula sp., Pichia sp.) lub pozostać z nią złączona tworząc tzw.
pseudogrzybnię - pseudomycelium (Candida sp.). W miejscu oddzielenia się pączka na komórce
macierzystej i potomnej powstają tzw. blizny. Na powierzchni komórki macierzystej może być ponad
30 blizn. Pączkowanie może być wielobiegunowe – pączki tworzą się na całej powierzchni komórki
macierzystej, dwubiegunowe – na przeciwległych biegunach lub jednobiegunowe – na jednym końcu
komórki. Komórka potomna jest genetycznie identyczna z macierzystą, jednak charakteryzuje ją
mniejszy rozmiar. Pączkowanie drożdży zachodzi przy sprzyjających warunkach środowiskowych,
dostępności składników odżywczych, optymalnej temperaturze.
Podział prosty (rozszczepianie)
Rozmnażanie przez podział poprzeczny jest charakterystyczne dla drożdży z rodzaju
Schizosaccharomyces (drożdże rozszczepkowe). Proces w zasadzie przypomina podział prosty u
bakterii z tą różnicą, że w przypadku drożdży komórka rośnie wydłużając się tylko w jednym
kierunku. Komórkę potomną można odróżnić od komórki macierzystej. Przed właściwym
rozszczepieniem dochodzi do podziału mitotycznego jądra i cytoplazmy. Następnie powstaje
poprzeczna przegroda oddzielająca nowo powstałą komórkę. Obydwie komórki potomne dziedziczą
identyczny garnitur chromosomów.
Zarodnikowanie
W niesprzyjających warunkach do rozwoju (w warunkach głodu), drożdże mogą się rozmnażać przez
zarodnikowanie, ale jest to zjawisko występujące bardzo rzadko. U większości drożdży zarodniki
tworzą się partenogenetycznie – bezpłciowo (bez wcześniejszej kopulacji). W komórce
zarodnikującej dochodzi do podziału jądra, które jest otaczane przez cytoplazmę i własne błony
determinujące kształt powstających zarodników. Przeciętnie powstaje od 4 do 8 zarodników w
komórce. Kształt zarodników jest gatunkową cechą diagnostyczną drożdży.
Rozmnażanie płciowe – generatywne
W populacji drożdży występuje zjawisko przemiany pokoleń, czyli następowania po sobie pokolenia
haploidalnego (o pojedynczym garniturze chromosomów) i pokolenia diploidalnego. Rozmnażanie
płciowe drożdży polega na zlaniu się (kopulacji) haploidalnych komórek o przeciwnych znakach
koniugacyjnych poprzez utworzone wyrostki. W powstałej komórce dochodzi do kariogamii czyli
zlania jąder komórkowych z wytworzeniem zygoty (komórka diploidalna).
Następnie zachodzi podział (mejoza). Każdy zarodnik potomny otaczany jest plazmą i błoną.
Utworzone w ten sposób haploidalne zarodniki (4-8 szt.) zamknięte są we wnętrzu komórki tworząc
worek (ascus). Ten rodzaj rozmnażania charakterystyczny jest dla drożdży z klasy workowców –
Ascomycetes, np. Saccharomyces cerevisiae.
Sposoby rozmnażania drożdży
A) przez pączkowanie (blastospory) np. Saccharomyces cerevisiae,
B) przez podział np. Schizosaccharomyces pombe,
C) worek z zarodnikami np. Saccharomyces cerevisiae,
D) przez pączkowanie, formująca się pseudogrzybnia np. Candida pseudotropicalis.
Komórki diploidalne są zdolne do wielokrotnego rozmnażania przez pączkowanie. Komórki
Saccharomyces cerevisiae o podwójnej liczbie chromosomów są większe, charakteryzuje je wyższa
aktywność fizjologiczna od komórek haploidalnych. Ze względu na aktywność szczepy diploidalne
Saccharomyces cerevisiae są częściej wykorzystywane w przemyśle.
3. ZASTOSOWANIE DROŻDŻY
Drożdże występujące powszechnie w przyrodzie noszą nazwę drożdży dzikich. Występują na
owocach, warzywach, liściach drzew, w sokach i miodach, a także na produktach spożywczych, takich
jak mięso, wędliny i wszędzie tam, gdzie znajduje się trochę cukru. Drożdże używane w przemyśle
rosną najlepiej w granicach pH 5,0-6,0. Optymalna temperatura wzrostu większości drożdży wynosi
20-30oC. Temperatury powyżej 70oC są zabójcze dla drożdży, natomiast drożdże dobrze znoszą niskie
temperatury i często występują na produktach przechowywanych w chłodniach. Drożdże są
tlenowcami, ale mogą rosnąć również w warunkach beztlenowych, uczestnicząc w procesie
fermentacji etanolowej (np. Saccharomyces cerevisiae) . Fermentują cukry proste, jak glukoza,
fruktoza, mannoza, galaktoza, niektóre dwucukry (sacharoza, maltoza) i trójcukry, głównie rafinozę,
natomiast skrobi nie wykorzystują. Na podstawie fermentowania rafinozy odróżnia się drożdże górnej
i dolnej fermentacji. Drożdże fermentacji górnej fermentują rafinozę tylko w 1/3 części, hydrolizując
ją do fruktozy i melibiozy.
Dwucukier melibioza pozostaje nie wykorzystany. Drożdże fermentacji dolnej zawierają cały komplet
enzymów, w tym również alfa-galaktozydazę, są zdolne do całkowitego odfermentowania rafinozy.
W praktyce, drożdże fermentacji dolnej, wskutek mniej intensywnego procesu oraz tendencji do
agregacji, szybciej opadają na dno naczynia w końcowej fazie fermentacji. Drożdże fermentacji
górnej prowadzą proces bardziej intensywnie, w wyższej temperaturze. Duże ilości dwutlenku węgla
powodują silne pienienie płynu i intensywne unoszenie komórek ku górze.
Ze względu na cenne właściwości białka drożdży, dodaje się je do pasz, najczęściej gatunki z
rodzajów: Torulopsis i Candida. Drożdże stosowane w piekarnictwie (S. cerevisiae) powodują
spulchnianie ciasta, w czasie fermentacji cukrów wydziela się CO2, ponadto są źródłem witamin oraz
makro- i mikroelementów. Drożdże wykorzystuje się też do fermentowania laktozy, np.
Kluyveromyces marxianus var. lactis – do utylizacji serwatki, wytwarzania białek z alkanów i
odpadów papierniczych, produkcji glicerolu i D-glucitolu, a także jako źródło enzymów, np. lipaz.
Gatunki wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu fermentacyjnego, głównie z rodzaju
Saccharomyces – gatunek S. cerevisiae, noszą nazwę drożdży szlachetnych (drożdże właściwe).
Zostały one wyizolowane z drożdży dzikich, występujących w przyrodzie lub drogą krzyżowania, czy
fuzji protoplastów. W obrębie poszczególnych gatunków istnieje wiele ras i odmian o cechach
korzystnych dla poszczególnych działów przemysłu fermentacyjnego (stosowane są w gorzelnictwie,
piekarstwie
i browarnictwie). Większość drożdży stosowanych w winiarstwie to rasy należące także do gatunku
S. cerevisiae. Należy wspomnieć o drożdżach wykorzystujących pentozy, np. z rodzaju Pichia czy
Candida, a także fermentujących laktozę, jak np. Kluyveromyces marxianus.
Fermentacja etanolowa i jej regulacja u drożdży
Fermentacja etanolowa jest szczególnie rozpowszechnionym procesem biochemicznym wśród
drobnoustrojów, zwłaszcza względnie beztlenowych. Przemysłowe wykorzystanie tej fermentacji
ograniczone jest jednak głównie do drożdży z rodzaju Saccharomyces sp. Niewielkie ilości etanolu
są także pozyskiwane w syntezie chemicznej (głównie z etanu), jednak dużo tańsze i wydajniejsze są
metody biotechnologiczne. Wśród innych mikroorganizmów fermentacja etanolowa jest bardzo
częstym rodzajem oddychania beztlenowego, jednak znaczenie praktyczne posiadają jedynie
Gramujemne pałeczki Zymomonas mobilis oraz termofilna bakteria Thermoaerobacter ethanolicus
(optymalna temperatura wzrostu 65ºC). Bakterie Zymomonas mobilis zostały wykorzystane do
produkcji Tequili przez mieszkańców Meksyku. Alkohol ten powstaje w wyniku spontanicznej
fermentacji soku agawy (Agave americana) – naturalnego siedliska tej bakterii.
Podstawowy schemat fermentacji etanolowej u drożdży, a także u innych mikroorganizmów jest
następujący:
C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
Produktami fermentacji są zatem etanol i dwutlenek węgla. Glukoza jest przekształcana do tych
produktów w szlaku HMP. Taki proces zapewnia szybką regenerację NAD+, co stanowi istotę
wszystkich typów fermentacji (patrz: rys. poniżej).
U drożdży fermentacja etanolowa podlega mechanizmom regulacyjnym związanym z warunkami
środowiskowymi, w jakich aktualnie znajduje się hodowla – przede wszystkim obecności tlenu oraz
poziomu glukozy i innych składników pokarmowych. Wynika to z faktu, iż są względnymi
beztlenowcami
i w warunkach tlenowych przeważa u nich katabolizm tlenowy cukrów, a nie fermentacja. W takich
warunkach dominuje również intensywny wzrost hodowli drożdży. Aby zapewnić wysoką wydajność
procesu fermentacji etanolowej konieczne jest więc środowisko beztlenowe, a tlen generalnie silnie
hamuje przebieg fermentacji – jest to tzw. efekt Pasteur’a (hamowanie aktywności enzymów
glikolitycznych oraz hamowanie transportu aktywnego glukozy do komórek). W warunkach
niedoboru tlenu drożdże rozpoczynają intensywną fermentację, natomiast niemal całkowicie
zahamowany zostaje wzrost. Efekt Pasteur’a nie dotyczy wyłącznie drożdży, lecz jest
charakterystyczny dla większości typowych anaerobów fakultatywnych.
Niewielka zawartość tlenu w środowisku (na poziomie około 0,05%) jest jednak niezbędna, aby
drożdże mogły prawidłowo funkcjonować oraz rozpocząć fermentację. Ten paradoksalny wpływ
niewielkiej ilości tlenu na przebieg fermentacji nosi nazwę odwrotnego efektu Pasteur’a. Natomiast
efekt Crabtree to zjawisko występujące w warunkach tlenowych i polega na silnym hamowaniu
oddychania tlenowego drożdży pod wpływem wysokiego stężenia glukozy w środowisku (powyżej
1-2 g/L). W takich warunkach następuje hamowanie enzymów cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego,
a metabolizm drożdży jest nastawiony na szybkie, lecz mało wydajne beztlenowe zużywanie glukozy
(szybka regeneracja NAD+).
Zastosowanie drożdży w piekarnictwie i produkcji piwa
Wykorzystanie drożdży do produkcji pieczywa oraz piwa i wina stanowi najstarszą w dziejach
ludzkiej cywilizacji biotechnologię. Spontaniczną fermentację z udziałem dzikich drożdży
wykorzystywali do produkcji piwa oraz pieczywa starożytni Sumerowie i Babilończycy, a następnie
Egipcjanie. Najstarsze ślady wytwarzania wina pochodzą ze starożytnej Gruzji.
W produkcji pieczywa stosowane są drobnoustroje prowadzące fermentację alkoholową (głównie
drożdże
S. cerevisiae), mlekową oraz mieszaną etanolowo-mlekową (bakterie mlekowe). Produkcja pieczywa
prowadzona jest w 3 etapach: przygotowanie ciasta, wyrastanie ciasta, wypiek pieczywa. Ciasto w
piekarnictwie otrzymywane jest z mąki zmieszanej w odpowiedniej proporcji z wodą, dodatkowymi
substancjami (sól, mleko, oliwa, środki spulchniające, substancje smakowo-zapachowe) oraz
zaczynem drożdżowym lub bakteryjno-drożdżowym (zakwas). W wyniku fermentacji mlekowej
następuje zakwaszenie ciasta. Odbywa się ono przy udziale bakterii z rodzaju Lactobacillus sp.,
(najczęściej gatunki: L. plantarum, L. brevis, L. casei). Fermentacja etanolowa prowadzi natomiast
do powstawania dwutlenku węgla, co nadaje ciastu porowatą strukturę. Fermentacja etanolowa jest
głównym procesem wykorzystywanym w produkcji pieczywa na mące pszennej. W przypadku mąki
z innych rodzajów zbóż (głównie żyta) przed dodaniem drożdży przeprowadzane jest ukwaszanie
ciasta będące wynikiem fermentacji mlekowej przeprowadzanej najczęściej przez naturalną
mikroflorę mąki (fermentacja samoczynna). Podobny proces ma miejsce w przypadku przygotowania
zakwasu na żurek.
Surowcami wykorzystywanymi w przemyśle piwowarskim są słód (obecnie zwykle jęczmienny),
woda, drożdże piwowarskie oraz chmiel. Dodatkowo, na etapie dojrzewania piwa, mogą być
stosowane dodatkowe środki np. enzymy, stabilizatory. Otrzymywanie słodu polega na namoczeniu
ziarna zbóż, następnie jego skiełkowaniu (łącznie 5-7 dni) oraz wysuszeniu. Oprócz dominujących
obecnie w piwowarstwie słodów jęczmiennych niektóre typy piwa są tradycyjnie wytwarzane na
słodzie żytnim (głównie w Europie Północnej np. w Finlandii; w Rosji na jego bazie wytwarza się
także kwas chlebowy), owsianym, ryżowym (np. japońska sake), kukurydzianym oraz na
mieszankach słodów z różnych zbóż. Etymologia romańskiej nazwy piwa (hiszpański: cerveza,
portugalski: cerveja, starofrancuski: cervoise) jest związana właśnie ze słowem oznaczającym także
zboża wywodzącym się od rzymskiej bogini urodzaju Ceres, której w czasie święta cerialia
ofiarowywano snopki zbóż. Celem procesu słodowania jest uaktywnienie enzymów amylolitycznych
w ziarnach, w wyniku czego następuje rozkład skrobi do maltozy, glukozy oraz maltodekstryn
(drożdże nie wytwarzają amylaz). Ponadto uaktywniają się enzymy proteolityczne dzięki czemu z
białek uwolniona zostaje dość duża ilość wolnych aminokwasów będących stymulatorami wzrostu
drożdży. Proces suszenia ma znaczący wpływ na parametry organoleptyczne słodu. W zależności od
temperatury i czasu suszenia i/lub prażenia otrzymać można słody jęczmienne jasne (tzw. pilzneńskie)
lub ciemne (tzw. monachijskie), a także słody karmelowe i inne. W wyniku gotowania słodu z wodą
(zacierania) powstaje bezpośredni substrat fermentacji piwnej tzw. brzeczka. Etapem poprzedzającym
otrzymywanie brzeczki jest mielenie słodu w specjalnych urządzeniach (śrutownikach). Zacieranie
słodu jest procesem ekstrakcji słodu oraz przyspieszenia procesów amylolitycznych, w wyniku czego
powstaje brzeczka stanowiąca bezpośrednią pożywkę dla drożdży piwnych. Proces zacierania
prowadzony jest do momentu całkowitego zaniku skrobi w brzeczce (negatywny wynik próby
jodowej). Zacieranie prowadzone jest zwykle przez kilka godzin przy najczęściej wzrastającej
temperaturze (do około 75°C). Istotny wpływ na przebieg zacierania ma też odczyn – powinien być
kwaśny (pH=5,0-5,5). Przecedzona brzeczka jest następnie gotowana (ok. 2 h) w celu jej dezynfekcji,
zagęszczenia i inaktywacji enzymów.
Na etapie gotowania jest również dodawany chmiel służący jedynie jako przyprawa, a nie zasadniczy
składnik piwa (zaledwie około 200 g chmielu na 100 litrów piwa). Do chmielenia brzeczki
wykorzystywane są kwiatostany żeńskie (tzw. „szyszki”) chmielu zwyczajnego (Humulus lupulus,
rodzina Cannabaceae) zawierające żywice i olejek eteryczny o dużej zawartości substancji
goryczkowych. W zależności od odmiany, a także warunków klimatycznych, chmiel może być
bardziej goryczkowy lub bardziej aromatyczny. Gotowe szyszki chmielowe są dostępne w postaci
suszu lub skoncentrowanych granulatów. Wprowadzenie chmielenia, a także ogólny rozwój
browarnictwa i selekcję czystych odmian drożdży, zawdzięczamy średniowiecznym mnichom (około
XII wieku). W czasach starożytnych piwo produkowano metodą spontanicznej fermentacji i nie
stosowano dodatku chmielu – zamiast tego dodawano czasami zioła np. gałązki rozmarynu.
Wydajność fermentacji zależy od stosowanego szczepu drożdży. Do fermentacji piwnej
wykorzystywane są drożdże różnych ras należących ogólnie do dwóch grup: drożdży fermentacji
górnej (...
Plik z chomika:
lisakitty
Inne pliki z tego folderu:

 Ćwiczenia- Grzyby pleśniowe-2017.doc (2119 KB)
Cwiczenia IV-Bakteriocyny, charakterystyka i zastosowanie.doc (1603 KB)
 Cwiczenia-Charakterystyka drożdży-2017.doc (1656 KB)
 Obraz (3).jpg (502 KB)
 Obraz (4).jpg (460 KB)
Inne foldery tego chomika:

 diagnostyka molekularna
modelowanie w badaniach środowiskowych
 organizacja laboratorium usługowego
 polskie dziedzictwo narodowe
 zarządzanie wiedzą
Zgłoś jeśli naruszono regulamin







Strona główna
Aktualności
Kontakt
Dla Mediów
Dział Pomocy
Opinie
Program partnerski




Regulamin serwisu
Polityka prywatności
Ochrona praw autorskich
Platforma wydawców
Copyright © 2012 Chomikuj.pl