В группу дрожжей объединяются грибные организмы, которые в ростовой фазе существуют преимущественно в виде отдельных клеток. Примерно 2/3 дрожжей относится к классу сумчатых грибов(Ascoтycetes). Дрожжи есть также в классе базидиомицетов (Basidioтycetes) и дейтеромицетов – несовершенных грибов (Deuteroтycetes – Fungi iтperfecti).
Клетки разных видов дрожжей морфологически весьма разнообразны. Они бывают круглые, овальные, цилиндрические, яйцевидные, лимоновидные, колбовидные, треугольные, стреловидные и серповидные. Дрожжевые клетки значительно крупнее бактериальных. Длина их варьирует у разных видов от 2 до 20, иногда до 50 мкм, ширина от 1,5 до 10 мкм. К числу наиболее крупных дрожжей относятся, например, представители родов Saccharoтyces и Lipoтyces, наиболее мелкими являются виды Pichia и Наnsenula.
Как уже отмечалось, дрожжи существуют в основном в одноклеточной форме. Однако в культурах многих видов наблюдаются скопления разных размеров и очертаний, а некоторые дрожжи на определенной стадии развития могут образовывать мицелиальные структуры (рис. 17). Дрожжи являются неподвижными организмами.
Рисунок 17. Мицелиальные формы дрожжей: 1 – псевдомицелий; 2 – истинный мицелий; а – артроспоры; б – эндоспоры
Дрожжи размножаются разными способами: вегетативно, бесполыми спорами и половым путем. Наиболее распространенным способом вегетативного размножения является почкование (рис. 18, 1). К почкующимся дрожжам относятся, например, виды родов Saccharoтyces и Lipoтyces. Если при почковании вновь возникающие клетки не отделяются друг от друга, то образуется псевдомицелий. Он отличается тем, что в зоне перегородок между клетками имеются перетяжки (рис. 18, 1). Образование псевдомицелия особенно характерно для дрожжей рода Candida.
Размножение делением (рис. 18, 2) встречается реже. Оно свойственно, например, видам Schizosaccharoтyces. Когда не расходятся делящиеся клетки, формируется истинный мицелий. Между клетками истинного мицелия четко различается перегородка, но нет перетяжек (рис. 18, 2). У ряда дрожжей (определенные виды Saccharoтyces, виды Nadsonia и др.) наблюдается так называемое почкующееся деление, при котором почка формируется на широком основании (рис. 18, 3). Почкующееся деление имеет морфологическое сходство с почкованием и делением.
Рисунок 18. Способы вегетативного размножения дрожжей: 1 – почкование; 2 – деление; 3 – почкующееся деление
Бесполое и половое размножение связано с формированием специализированных репродуктивных структур. При половом размножении их появлению предшествует слияние клеток и последующее объединение ядер, при бесполом размножении предварительное слияние клеток и ядер не происходит.
Размножение бесполыми спорами – баллистоспорами – характерно для видов Sporoboloтyces, Sporidiobolus и др. Баллистоспоры возникают на заостренных выростах клеток – стеригмах (рис. 19). При созревании они с силой отбрасываются на некоторое расстояние. Баллистоспоровые дрожжи относятся к базидиомицетам. Истинный мицелий таких дрожжей может распадаться на отдельные клетки, называемые артроспорами.
Рисунок 19. Баллистоспоры на отдельных клетках и гифах мицелия: 1 – Sporobolomyces; 2 – Sporidiobolus
Рисунок 20. Жизненные циклы некоторых дрожжей: 1 – Saccharomyces cerevisiae; 2 – Schizosaccharomyces (Octosporomyces) octosporus
Половое размножение большинства дрожжей (аскомицетов) связано с образованием асков (сумок) и аскоспор. у одних (виды Saccharoтyces, Debaryoтyces и др.) образование асков происходит сразу после изо- или гетерогамной копуляции почек или вегетативных гаплоидных клеток в диплоидную. У других (виды Saccharoтyces, Schizosaccharoтyces, Saccharoтycodes и др.). Аски формируются из ранее возникших диплоидных клеток партеногенетически, т. е. без непосредственно предшествующей копуляции. В асках в результате мейоза образуются гаплоидные аскоспоры. В каждом аске бывает, как правило, от 2 до 8 спор. Иногда (виды Liротуces) их число достигает нескольких десятков. Аскоспоры многих дрожжей (виды Saccharoтyces, Schizosaccharoтyces) освобождаются из сумок и превращаются в вегетативные клетки ( рис.20).
У базидиомицетов в результате полового процесса развиваются специализированные репродуктивные клетки – базидии, на которых образуются экзогенные споры (базидиоспоры).
Обычно половой процесс чередуется у дрожжей с вегетативным размножением. Однако длительность гаплоидной и диплоидной фаз у разных дрожжей неодипакова. Например, У Sассharотусеs cerevisiae преобладает диплоидное состояние, у Schizosaccharoтyces (Octosporomyces) роmbе – гаплоидное. Кроме того, половой процесс и образование аскоспор у дрожжей происходит только в определенных условиях. В культурах Saccharoтyces активное спорообразование можно наблюдать, если молодые активные клетки, выращенные на полноценной богатой среде, поместить в условия недостаточного питания, плохого снабжения кислородом и влагой..
К половому процессу способны многие дрожжи. Но есть и такие, у которых половой процесс и спорообразование не обнаружены. Их включают в класс несовершенных грибов. К ним относятся представители Caпdida, Torulopsis и Cryptococcus.
Споры дрожжей отличаются значительной, хотя и меньшей, чем эндоспоры бактерий, устойчивостыо к неблагоприятным воздействиям. Они имеют утолщенную клеточную стенку, поэтому под микроскопом заметно выделяются как структуры, сильно преломляющие свет.
Покоящимися формами дрожжей являются так называемые хламидоспоры – толстостенные округлые клетки, образовавшиеся из вегетативных и заполненные резервными веществами, главным образом липидами. Они обнаруживаются у определенных дрожжей либо в связи с мицелиальными структурами (патогенные виды Candida), либо в форме отдельных клеток (у Lipoтyces и Cryptococcus; рис. 21). При пересеве в свежую питательную среду хламидоспоры Lipoтyces и Cryptococcus начинают активно почковаться, сбрасывая наружные слои клеточных стенок.
Рисунок 21. Хламидоспоры дрожжей: 1 – на гифах мицелия; 2 – без мицелия. В хламидоспорах видны капли жира
Дрожжи имеют достаточно сложную структурную организацию, типичную для эукариотных организмов. Клеточная стенка дрожжей, в отличие от бактериальной, легко различима в световом микроскопе. Как и у большинства бактерий, она ригидна и обусловливает постоянство формы клеток. Клетки ряда дрожжей в определенных условиях могут быть окружены слизистой капсулой полисахаридной природы. Толщина капсул сильно варьирует. Иногда капсульный слой различим только с помощью электронного микроскопа, а в ряде случаев он заметно превышает диаметр клетки.
К клеточной стенке изнутри примыкает цитоплазматическая мембрана. В цитоплазме обнаруживается ядро. Оно ограничено от цитоплазмы двуслойной мембраной с порами. Внутри ядра имеется ядрышко. В клетках мицелиальной формы базидиомицетовых дрожжей содержится два ядра. На поверхности наружной ядерной мембраны локализованы рибосомы.
Постоянными компонентами дрожжевой клетки являются митохондрии. Они имеют вид гранулярных, нитевидных или ветвистых структур. Количество митохондрий в клетке достигает сотен и даже тысяч единиц. Их средние размеры лежат в пределах видимости светооптического микроскопа (около 0,4 мкм). Митохондрии лучше развиты у дышащих дрожжей. Как и у всех эукариот, у дрожжей хорошо развит мембранный аппарат. Он представлен эндоплазматической сетью, аппаратом Гольджи и лизосомами. В старых культурах дрожжей четко видны вакуоли, окружённые мембраной. В почках и молодых клетках они, как правило, не обнаруживаются.
В клетках дрожжей, выращенных при определенных условиях, легко выявляются включения запасных веществ. При культивировании на средах с избытком сахара в цитоплазме часто накапливается гликоген. Он имеет вид зерен, глыбок или крупных конгломератов. Скопления зерен гликогена могут придавать клеткам дрожжей гранулярную структуру. К характерным включениям дрожжей относятся липиды. Их бывает особенно много у видов Lipoтyces, Candida и Trichosporon. В клетках Candida и Trichosporon липиды видны как отдельные включения, а у Lipoтyces они могут маскировать все другие внутренние структуры, так что клетки выглядят как капли жира, окруженные оболочкой. В вакуолях часто обнаруживаются полифосфатные гранулы – волютин.
Наибольшее практическое применение в пищевой промышленности находят дрожжи рода Saccharoтyces, который включает около 40 видов, которые обладают способностью превращать сахара в спирт. Мейен в 1837 году различал в соответствии с их источником три вида дрожжей. Выделенных из спиртных напитков: Saccharoтyces vini – из вина, Saccharoтyces cerevisiae – из пива и Saccharoтyces pomorum – из сидра. Штаммы, отнесенные к Saccharoтyces cerevisiae , получили широкое распространение в пивоварении, производстве спирта, приготовлении вина, а также в получении пекарских дрожжей и биомассы. Все штаммы, классифицированные, как Saccharoтyces cerevisiae , способны в аэробных условиях расти на лактозе, мальтозе и трегалозе, но немогут расти на лактозе и целлобиозе. В анаэробных условиях дрожжи сбраживают гексозы и дисахара после их гидролиза, пентозы – не сбраживают. Во многих промышленных процессах дрожжи растут в среде, обошащенной сахарами. В этих условиях рост происходит анаэробно и потребляемый сахар превращается в углекислый газ и этанол.; процесс этот известен, как спиртовое брожение. Даже при энергичной аэрации дрожи продолжают перерабатывать сахар в углекислый газ и этанол до тех пор, пока концентрация сахаров не упадет до очень низкого уровня. Высокий уровень легко усваиваемых сахаров подавляет способность клеток осуществлять аэробное дыхание, даже когда нет недостатка в кислороде. Это явление известно как катаболитная регрессия.
В анаэробных условиях образующийся этанол не подвергается дальнейшим превращениям, тогда как в ваэробных условиях дрожжевые клетки после исчерпания запаса сахара начинают утилизировать накопленный ими этанол, переводя его в углекислый гах и воду.
Saccharoтyces cerevisiae может расти в условиях брожения с очень высокой скоростью (время удвоения примерно 1,6 ч), однако конечный выход клетьк оказывается незначительным. В условиях, благоприятствующих аэробному метаболизму, рост дрожжей протекает с такой же скоростью, но достигает гораздо больший выход клеток. Тот факт. Что при данном содержании сахара в аэробных условиях получается больше дрожжевых клеток. Чем в анаэробных впервые был замечен Пастером, и поэтому это явление носит название эффект Пастера.
При выращивании дрпожжей в анаэробных условиях они превращают глюкозу в пируват посредством меиаболического пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП). Однако накапливающийся пируват не может принять участие в цикле трикарбоновых кислот и НАДН2, накопившийся в ходе гликолиза, не окисляется цитохромной системой. В этих условиях пируват декарбоксилируется другим ферментом до ацетальдегида, который восстанавливается в этанол с помощью НАДН2, накопившегося в ходе гликолиза. В ходе превращения глюкозы в этанол путем брожения образуется только 4 молекулы АТФ, так что брожение – это менее эффективный процесс, чем аэробное дыхание. Количество АТФ, требуемое для биосинтеза, одинаково вне зависимости от того, растут ли клетки в аэробных или анаэробных условиях, поэтому при анаэробном метаболизме для производства такого же количества клеточного материала дрожжам необходимо утилизировать гораздо больше глюкозы. В этом состоит биохимическое объяснение эффекта Пастера.
Как уже указывалось, спиртовое брожение происходит не только в анаэробных условиях. Дрожжевые клетки, растущие в аэробных услдовиях при высоком уровне глюкозы в среде, также сбраживают глюкозу в этанол. Подавление аэробного дыхания высоким содержанием глюкозы, или , точнее, высокой скоростью усвоения глюкозы называется эффектом Крэбтри или катаболической регрессией.
Когда вся глюкоза переведена в спирт, катаболитная регрессия снимается и клетки могут продолжатьрост путем аэробного усвоения этанола, накопившегося на стадии брожения.
Регуляция метаболизма дрожжей – очень сложный процесс. Рост клеток может протекать аэробным и анаэробным путем, в условиях катаболтной репрессии и в нерепрессированном состоянии. Каждый из этих вариантов характеризуется различными уровнями функционирования пути ЭМП, пентозофосфатного пути, цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного цикла. Скорость гликолиза меняется в зависимости от доступности для клетки субстратов или кофакторов, таких как НАД и АДФ.
Дрожжи – одноклеточные грибы, примечательные своей способностью к сбраживанию. В товароведении они играют огромную роль, так как, с одной стороны, эта их способность используется человеком в различных биотехнологических процессах, но с другой — это микроорганизмы, вызывающие порчу сахаросодержащих товаров.
Дрожжи и дрожжеподобные грибы относят к классам аскомицетов (сумчатые, подкласс голосумчатые), базидиомицетов (небольшая часть дрожжей) и дейтеромицетов. К классу Ascomycetes относят эндомицетовые — дрожжеподобные сумчатые грибы, образующие эндоспоры (Endomycetales). Как и все грибы, дрожжи неподвижны, широко распространены в природе: встречаются в почве, на растениях, в разнообразных сахаросодержащих субстратах. Способность дрожжей вызывать спиртовое брожение привела к широкому использованию этих микроорганизмов в промышленности. Однако самопроизвольное развитие дрожжей в сахаросодержащих субстратах вызывает их порчу (вспучивание, забраживание, изменение запаха и вкуса).
Форма клеток дрожжей бывает различная, но преимущественно круглая и овальная (рис. 2.64). Встречаются дрожжи цилиндрические, лимоновидные, треугольные, серповидные. По размерам дрожжи бывают от 5 до 10—15 мкм (встречаются и до 30 мкм длиной). Интересно, что размеры и форма дрожжевых клеток изменяются в зависимости от возраста и условий развития.
Дрожжи — эукариоты; строение их клетки сходно со строением клетки грибов. Они имеют истинное ядро, отграниченное от цитоплазмы ядерной двухслойной мембраной, рибосомы, эндоплазматическую сеть, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы. В клетках дрожжей часто присутствуют запасные питательные вещества: жир, гликоген, волютин (рис. 2.65).
Встречаются слизеобразующие, хлопьевидные и пылевидные дрожжи. Слизеобразующие и хлопьевидные дрожжи при развитии в субстрате оседают на дно, образуя разные по характеру осадки, а пылевидные в жидкости остаются во взвешенном состоянии.
Рис. 2.64. Формы дрожжевых клеток:
а — овальная; б — цилиндрическая; в — удлиненная
Рис. 2.65. Строение дрожжевой клетки
Размножение дрожжей. В зависимости от вида дрожжи различаются способностью образовывать мицелий, аски и почки (рис. 2.66). Самым распространенным способом размножения дрожжей является почкование, и лишь немногие дрожжи размножаются делением.
Дрожжевая клетка через 1,5—2 ч дает потомство. Почкование состоит в следующем: на материнской клетке формируется маленький бугорок или почка, которая увеличивается в размерах, на каком-то этапе отделяется от этой клетки или может остаться на ней. Происходит следующее: ядро делится на две части, одна из которых вместе с клеточными элементами переходит в дочернюю клетку. Почка постепенно увеличивается в размерах, и по мере роста в месте ее соединения с материнской клеткой образуется перетяжка, отграничивающая дочернюю клетку (рис. 2.67). Время почкования в среднем составляет 2 ч, часто образуется несколько почек, причем сразу может начаться почкование и молодых клеток. Нередко образуются множества объединенных между собой клеток, которые называют сростками почкования (рис. 2.68).
Рис. 2.66. Виды образования у дрожжей мицелия, асков и ночек 1
Рис. 2.67. Почкующаяся дрожжевая клетка (электронная микрофотография)
Рис. 2.68. Почкование дрожжей:
- 1 — клетка; 2 — клетка с почкой и сросток почкования; 3 — сумка со спорами
- 1 Шлегель Г. Г. Указ. соч.
На поверхности жидких сред клетки дрожжей бывают удлиненной формы и нередко образуют цепочки (псевдомицелий, легко рассыпающийся при механическом воздействии), которые могут образовывать тонкую пленку на поверхности. Некоторые дрожжи образуют плотные пленки, прочно удерживающиеся на поверхности, они часто складчатые и толстые (до нескольких миллиметров). Это пленчатые дрожжи, которые вызывают порчу пива, вина, квашеных овощей и др.
Помимо почкования, дрожжи могут размножаться с помощью спор. Образование спор у дрожжей происходит и бесполым, и половым путем. При бесполом размножении ядро дрожжевой клетки делится на несколько частей, в которых образуются аскоспоры. При образовании спор половым путем сначала происходит слияние клеток и затем образуются споры.
Чаще всего споры круглые или овальные, но могут быть интересной игловидной и шляповидной формы, с различными выростами. Споры дрожжей, как и других грибов, устойчивее вегетативных клеток к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, однако не такие стойкие, как споры бактерий. Попав в благоприятные условия, споры дрожжей прорастают в вегетативные клетки.
У культурных дрожжей (т.е. специально выведенных и культивируемых) способность к спорообразованию ослаблена, а иногда они вообще «не умеют» образовывать споры. В промышленности наиболее широко используют два вида дрожжей рода Saccharomyces: S. cerevisiae применяют при производстве пищевого спирта, в пивоварении, хлебопечении и др. (рис. 2.69), 5. ellipsoideus используют преимущественно в виноделии (рис. 2.70).
Рис. 2.69. S. cerevisiae (электронная микрофотография)
Помимо спорообразующих существуют дрожжи, нс образующие спор. Их называют аспорогенные (или ложные) дрожжи, или несовершенные дрожжеподобные организмы. Их относят к дейтеромицетам. Наибольшее значение имеют роды кандида и торулопсис (Torulopsis). Они широко распространены в природе. Большинство дрожжей этих родов не способно к спиртовому брожению. Отдельные виды Torulopsis используют в производстве кумыса. Дрожжи из рода Candida, способные к образованию псевдомицелия и не способные к спиртовому брожению, являются вредителями в производстве вина и пива. Они опасны при производстве некарских дрожжей, часто вызывают порчу продовольственных товаров, например квашеных овощей.
Рис. 2.70. S. ellipsoideus (электронная микрофотография)
Деятельность дрожжей используют при приготовлении кормового белка, для чего их культивируют на средах с дешевым источником углерода и получают полноценный белковый продукт. Так, некоторые виды Candida используют в производстве кормовых дрожжей, используемых для нужд животноводства и птицеводства. Дрожжевание кормов является способом обогащения их белком и витаминами, которые содержатся в достаточном количестве в клетках дрожжей. Кормовые дрожжи выращивают на дешевых и доступных субстратах — отходах промышленных производств и гидролизатах сельскохозяйственных отходов.
Дрожжи выращивают даже на нефтяных отходах. Некоторые виды этих микроорганизмов растут на углеводородах нефти, образуя биомассу, которая богата белками, содержащими все необходимые для животных аминокислоты. Особые дрожжи, накапливающие в клетках большое количество жира, пробуют применять для производства технических жиров. Но существуют патогенные и условно-патогенные виды дрожжей, вызывающие заболевания. К оппортунистическим возбудителям заболеваний относится Candida albicans, важный гриб из рода Candida, который вызывает канди- доз носоглотки (молочницу), вагинит, дерматит и хронические кандидозы (рис. 2.71). Но в то же время этот гриб входит в состав нормальной микробиоты слизистых оболочек верхних дыхательных путей, половых путей. Грибы этого рода образуют псевдогифы в местах обитания в организме человека, в которых им положено быть. Истинные гифы они образуют только при инвазии (проникновении) в ткани.
Дрожжи размножаются двумя способами: бесполым (вегетативным) и половым. Вегетативное размножение осуществляется почкованием: на материнской клетке образуется дочерняя клетка в виде бугорка, который постепенно растет и затем отделяется от материнской клетки с помощью перетяжки, т. е. отшнуровывается. При почковании из материнской клетки в дочернюю переходит часть ядра, цитоплазмы и других структур. У некоторых дрожжей (шизосахаромицеты) вегетативное размножение происходит делением.
Половой процесс у дрожжей протекает в двух вариантах. У сахаромицетов споры, которые созревают, разрывают клетку (сумку, аск), высыпаются из нее и попарно сливаются. Образующаяся в результате слияния зигота в дальнейшем размножается почкованием. У шизосахаромицетов при истощении питательной среды две вегетативные клетки сливаются и также образуют зиготу. В ней образуются споры, которые прорастают в вегетативные клетки, далее длительно размножающиеся почкованием.
Классификация дрожжей.
В основу классификации дрожжей положены способы размножения и некоторые физиологические признаки. Все дрожжи делят на две большие группы: неспорообразующие (аспорогенные) и спорообразующие (спорогенные).
Аспорогенные дрожжи близки к несовершенным грибам и весьма разнообразны по своим признакам и свойствам. Они объединены в семейство криптококковых, которое включает много родов дрожжей с разными свойствами.
Неспорообразующие дрожжи иногда называют дрожжеподобными в отличие от истинных, спорообразующих дрожжей. К роду Кандида относятся дрожжи, образующие ложный мицелий и способные к брожению, размножающиеся почкованием; имеют клетки разнообразной формы и величины. Одни виды используются для производства кормовых белковых препаратов, другие являются вредителями в ряде производств – дрожжевом, пивоваренном, винодельческом и др.
Дрожжи рода Торулопсис имеют круглые и овальные клетки, ложного мицелия не образуют, углеводы сбраживают слабо, часто являются вредителями в пищевых производствах.
Дрожжи рода Родоторула отличаются способностью образовывать пигмент – розовый, красный, желтый и даже черный. Эти дрожжи часто размножаются на пищевых продуктах.
Спорообразующие (истинные) дрожжи имеют половой способ размножения и образуют споры. Ложного мицелия не образуют. Многие представители этой группы дрожжей имеют важное промышленное значение как возбудители различных видов брожения.
Отдельные семейства различаются между собой способами вегетативного размножения. На рис. 12 показаны способы размножения различных родов дрожжей: образование сумок со спорами (асков) и ложного мицелия, почкование. Так, дрожжи рода Эндомикопсис могут образовывать ложный мицелий, а размножение у них не только вегетативное (почкованием), но и половое (споры в сумках). Сахаромицеты размножаются почкованием и спорами, но мицелия не образуют. Дрожжеподобные организмы родов Кандида и Торулопсис полового процесса не имеют и спор не образуют. Организмы рода Кандида размножаются только почкованием, к образованию спор и мицелия неспособны. Спорообразующие дрожжи включают три семейства.
Рис. 12. Способы размножения и образование мицелия у дрожжей родов: а – Эндомикопсис (споры в сумках, мицелий и почкование); б – Сахаромицес (споры в сумках, почкование, мицелия не образуют); в – Кандида (почкование и мицелий, спор не образуют); г – Торулопсис (почкование, спор и мицелия не образуют).
1. Семейство Сахаромицетацеэ (сахаромицетовые, или сахарные грибы). Основная особенность – способность сбраживать сахара. Клетки овальной или эллиптической формы, довольно крупных размеров, вегетативное размножение почкованием. Отдельные роды отличаются формой спор, способом их образования и прорастания. Сюда относятся важные в промышленном отношении дрожжи, а также вредители различных пищевых производств.
2. Семейство Шизосахаромицетацеэ (шизосахаромицетовые). Особенность этих дрожжей состоит в том, что вегетативное размножение осуществляется не почкованием, а поперечным делением материнской клетки (иногда их называют делящимися дрожжами). При половом размножении образуют 4-8 спор в клетке. Отдельные виды шизосахаромицетов применяются в бродильной промышленности при приготовлении особых сортов пива, другие являются вредителями пищевых производств.
3. Семейство Сахаромикодацеэ (сахаромикодовые, или лимоновидные дрожжи). Крупные дрожжи, имеющие форму лимона. Вегетативное размножение необычно: оно начинается почкованием, которое заканчивается делением клетки. Образуют 1-4 споры в клетке. Обладают невысокой бродильной способностью. Представители этого семейства являются вредителями ряда бродильных производств.