Источники азота

Содержание азота в клетках может достигать 10% на СВ. Источниками азота для синтеза белка являются ионы аммония и аминокислоты. Однако рост клеток происходит быстрее, если в питательной среде содержатся аминокислоты, а не ионы аммония. Аминокислоты в процессе брожения потребляются последовательно. Это определяется свойствами и специфичностью пермеаз, локализованных в клеточной мембране дрожжей. Большинство поступающих в клетку аминокислот сначала подвергаются действию трансаминаз, отщепляющих аминогруппы, при этом остается углеводный скелет, который далее метаболизируется.

Дрожжи не могут ассимилировать азот из органических соединений (кроме мочевины), нитратов и нитритов.

В дрожжевой промышленности и в виноделии в качестве источника азотного питания используют сульфат аммония (ГОСТ 10873-73), в диаммонийфосфат марки А и Б (ГОСТ 8515-75) и в растворе аммиака (ГОСТ 9-77). Очень редко в качестве источника азотного питания используется мочевина (ГОСТ 2081-75).

Минеральные компоненты. Макро и микроэлементы

Активность некоторых ферментов может зависеть только от структуры самого белка, для других требуется также присутствие определенных групп небелковой природы – кофакторов. В роли кофакторов могут выступать ионы металлов или сложные органические соединения, называемые коферментами. Иногда для проявления активности фермента необходимо присутствие как тех, так и других.

Ниже приведены сведения о некоторых ферментах коферментами, в которых являются ионы металлов:

Zn⁺² – кофермент алкогольдегидрогеназы, карбоксипептидазы;

Mg ⁺² – кофермент пируватфосфокиназы, фосфогидролазы и фосфотрансферазы;

Mn ⁺² – кофермент фосфотрансферазы;

Fe ⁺² и Fe ⁺³ – кофермент каталазы, пероксидазы и цитохромов;

Cu⁺² и Cu ⁺ кофермент тирозиназы и цитохромоксидазы;

K⁺ – кофермент пируватфосфокиназы;

Na ⁺ – кофермент плазматической АТФ-азы.

Макроэлементы

К макроэлементам относят фосфор, калий, магний, натрий и сера.

Потребность дрожжей в фосфоре. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, фосфолипидов, полимеров клеточной стенки, в мембраны органоидов клеток. Он способствует поддержанию буферности, препятствующей сдвигу рН в цитоплазме клеток. Нехватка фосфора проявляется в замедлении интенсивности брожения их роста.

Количество P₂O₅ в клетках определяется условиями культивирования, содержанием солей фосфора в среде и может достигать 5,5% от СВ дрожжей.

Потребность дрожжей в калии. Хлебопекарные дрожжи содержат калия в пересчете на K₂O от 1,4 до 4,3% от АСВ, пивные дрожжи в среднем –2,4% от СВ.

Калий активирует около 40 различных ферментов, в том числе, оксидазы и дегидрогеназы. Ионы калия выполняют роль не только коферментов, но также входят в состав некоторых структур клетки, в частности, рибосом. Также калий участвует в регуляции транспорта ионов через клеточную стенку и через митохондриальную мембрану. В связи с этим с увеличением скорости роста дрожжей потребность в калии увеличивается.

Ионы К⁺ определяют транспорт в клетки ортофосфата, играющего большую роль в энергетическом обмене дрожжей. Скорость этого процесса зависит как от вида микроорганизма, так и от условий культивирования. При наличии энергетического обмена, стимулируемого глюкозой, экзогенный калий поступает в клетку одновременно с фосфатом, при этом происходит отток ионов Н⁺ из дрожжей. Этот процесс является энергозависимым и происходит при участии фермента АТФ-азы.

Следует обратить внимание на обмен ионов К⁺ и Н⁺ через митохондриальную мембрану. В данном случае, помимо К⁺, в этом обмене участвует также ионы Nа⁺ и ионы двухвалентных металлов Ca⁺², Mn⁺² и Sr⁺². Переход этих ионов в митохондрию сопровождается выбросом эквивалентного количества Н⁺.

Для дрожжей экономический коэффициент по калию равен 54. Это означает, что 1 г элемента входит в состав 54 г АСБ.

Потребность дрожжей в магнии. Магний необходим как для энергетического, так и конструктивного обмена дрожжей, т.к. он является кофактором многих ферментов (см. раздел 5). Он стимулирует утилизацию мальтозы и мальтотриозы.

Экономический коэффициент в расчете на ионы потребленного магния составляет 540 г сухой биомассы на 1 г магния и обратно пропорционален количеству РНК в биомассе.

При составлении питательных сред следует учесть следующее соотношение между макроэлементами в пересчете на их оксиды: MgO:K₂O:P₂O₅ равняется 1:10:20

Потребность дрожжей в сере. Сера необходима главным образом для синтеза серосодержащих аминокислот цистеина и метионина. Кроме того, небольшое количество серы требуется для образования сульфогрупп в некоторых коферментах, таких как биотин, кофермент А, липоевая кислота, тиамин и пиридоксин.

Для дрожжей было установлено, что при недостатке того компонента в среде культивирования наблюдается снижение дыхательной активности клеток, как и при ингибировании роста дрожжей недостатком железа. Сераусваивается дрожжами из неорганических сульфатов, из серосодержащих аминокислот.Экономический коэффициент в расчете на ионы S0₄^-2 для пекарских дрожжей составляет 100 г сухой биомассы на 1 г.

Микроэлементы

Микроэлементы участвуют в метаболизме дрожжей и влияют на их химический состав, рост и размножение.

К микроэлементам, которые в первую очередь необходимы для роста дрожжей, относятся: Zn, Cu, Ca, Mn, Fe, Co,.

Элементы, редко требуемые для роста: B Na Al Si Cl V Cr Ni As Se Mo Sn I.

Приблизительные значения экономического коэффициента прироста биомассы в расчете на некоторые элементы приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1 - Экономический коэффициент выхода биомассы

Экономический коэффициент выхода биомассы, кг/г элемента
Ca	Fe	Mn	Zn	Cu	Co	Mo
1,0	6,7	20,0	20,0

В связи с тем, что многие питательные ингредиенты среды также могут содержать микроэлементы, и их количество не учитываются в расчете экономического коэффициента данные приведенные в табл.6.1. приблизительны.

Потребность в микроэлементах может увеличиваться в несколько раз, когда культура испытывает стресс, например, при увеличении температуры выше оптимальной.

Микроэлементы могут накапливаться в клетках при культивировании их в среде с высокой концентрацией элементов. Так, биосорбция цинка в среде содержащей 0,8 мг Zn⁺²/мл составляет 52,5 мг/г СВ.

Цинк входит в состав около 70 ферментов дрожжей. Он является кофактором ферментов клеточной стенки,стимулирует дыхательный метаболизм дрожжей, биосинтез белка, обмен нуклеиновых кислот, углеводов вследствие этого он влияет на рост и размножение клеток. В виду того, что он участвует в высвобождении глюкозы (в виде гл-1-Ф) из гликогена цинк увеличивает стрессоустойчивость дрожжей при внесении их в плотные питательные среды, в результате чего сокращается длительность лаг-фазы роста клеток.

В связи с тем, что солодовое сусло, которое используется в технологии как хлебопекарных, так и пивных и спиртовых дрожжей, содержит недостаточное количество солей цинка, следует обратить внимание на факторы, влияющие на концентрацию этого микроэлемента в солоде, используемым для приготовления сусла. На содержание цинка в сусле влияют:

- степень растворения солода. Чем выше степень растворения солода, тем выше содержание цинка в горячем охмеленном сусле (без дробины).

- температура затирания. При 50 ⁰С цинка растворяется больше, чем при затирании солода при 60 ⁰С.

- гидромодуль затора. Жидкие заторы приводят к увеличению содержания цинка в сусле.

- рН затора. Биологическое подкисление способствует увеличению растворимости цинка.

Содержание ионов цинка в клетках должно быть около 6 мг/100г. Для получения этого количества сусло должно содержать не менее 0,08 мг цинка в литре. В виду того, что цинк может аккумулироваться в клетках, дополнительное внесение этого элемента на этапе получения посевного материала гарантирует хорошие результаты при последующем размножении дрожжей в бедных питательных средах.

Расчет дополнительного внесения цинка можно сделать исходя из того, что экономический коэффициент для цинка приблизительно составляет 20 мг/г АСБ дрожжей (табл.6.1) или для прироста 100 г АСБ требуется 0,005 г цинка.

Медь является коферментомоксидаз и влияет на дыхательный метаболизм дрожжей. Коферментами пептидаз могут являться ионы меди или ионы цинка.

Экономический коэффициент прироста биомассы в расчете на медь составляет 100 кг АСБ/г, т.е. для прироста 100 г АСБ требуется 0,001 г меди.

Марганец активизирует целый ряд ферментов: декарбоксилазы, дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, пептидазы, киназу. Вместе с железом, цинком и молибденом ионы марганца могут нивелировать вредное действие меди. Этот микроэлемент стимулирует процесс брожения, даже в том случае, когда в сусле содержится недостаточное количество ионов цинка.

Для биосинтеза 100 г АСБ требуется 0,005 г Mn⁺².