Дрожжи, сахаромицеты, микроскопические одноклеточные бесхлорофилльные организмы, принадлежащие к грибам.
В 1803 впервые Луи Жак Тенар указал на дрожжи как на истинную причину брожения. В 1831 появились, независимо одна от другой, работы Коньяр де ла Тура, Кютцинга, Шванна. Авторы работ пришли к выводу, что дрожжи являются растением, размножающимся путем почкования. Шванн впервые наблюдал спорообразование. Мейен ввел (1838) родовое название Saccharomyces и отнес дрожжи к грибам. Классификация впервые проведена датским ботаником Э. Ганзеном (1904), разделившим их на спорогенные и аспорогенные, и франц. ботаником Гийермоном (1912), открывшим половой процесс у дрожжи вида Willia anomala. Эти классификации были несовершенными и в дальнейшем постоянно изменялись, уточнялись. С развитием таксономических исследований и совершенствованием методов идентификации дрожжей значительно расширились знания о дрожжевой флоре сусла и вина. Этому способствовали работы ряда ученых — Штеллинг-Деккера, Крегера ван Рий, В. И. Кудрявцева, Ж. Лоддер. В странах СНГ для классификации спорогенных дрожжей пользуются систематикой В. И. Кудрявцева, для аспорогенных — систематикой Ж. Лоддер. Критериями для классификации дрожжей служат морфолого-физиологические признаки — форма и размер вегетативных клеток и спор, характер их образования и роста на различных средах — образование осадка, пленки, способность к сбраживанию сахаров, спиртообразующая способность, интенсивность дыхания и брожения, потребность в факторах роста, кислото- и сульфитоустойчивость. дрожжей и дрожжеподобные организмы подразделяются на 2 большие группы: спорообразующие, объединяемые в один класс сумчатых грибов (Fungi) — аскомицетов, и неспорообразующие, относящиеся к группе несовершенных грибов (Fungi imperfecti) — семейству Cryptococcaceae. Класс аскомицетов включает порядок дрожжей Unicellomycetales — одноклеточные грибы, не образующие мицелия. дрожжи подразделяются на группы или порядки, классы, семейства, роды, виды, расы. Аскомицеты по классификации В. И. Кудрявцева делятся по способу вегетативного размножения на 3 семейства: Saccharomycetaceae — размножаются почкованием, Schizosaccharo-mycetaceae — размножаются делением и Saccharomycodaceae — размножаются почкованием, завершающимся делением. Роды в пределах семейств устанавливаются по особенностям их цикла развития. Сем. Saccharomycetaceae включает 17 родов, из них для винодельческого производства имеют значение Saccharomyces, Pichia, Hansenula; последние 2, развиваясь, вызывают помутнение вин. Сем. Schizosaccharomycetaceae включает 2 рода: Schizosaccharomyces и Octosporomyces; сем. Saccharomycodaceae — 4 рода: Saccharomycodes, Nadsonia, Saenkia и Hanseniaspora, из которых Saccharomycodes и Hanseniaspora являются сорняками брожения виноградных и плодово-ягодных сусел и вин. К роду Saccharomyces относится большинство дрожжей, применяемых в бродильной промышленности. Они размножаются почкованием, при неблагоприятных условиях дают споры дрожжи рода Saccharomyces, встречающиеся в плодово-ягодных соках и выделенные из самозабродившего виноградного сока, относятся к 7 самостоятельным видам, различающимся по отношению к диагностическим сахарам. Из них производств, значение имеют Sacch. vini и Sacch. oviformis. Остальные виды Sacch. chevalieri, Sacch. cerevisiae, Sacch. uvarum, Sacch. carlsbergensis, Sacch. chodati на винограде , в соке и вине встречаются редко, некоторые из них не обладают хорошей сбраживающей способностью. Каждый вид дрожжей разделяется на расы. Расами называют различные штаммы одного вида, применяемые в производстве. Аспорогенныс дрожжи по классификации Ж. Лоддер (1970) делятся на семейство Cryptococcaceae и 5 подсемейств, включающих 17 родов, из которых для виноделия представляют интерес роды Candida, Brettanomyces, Torulopsis.
Морфология дрожжей
Дрожжи имеют разнообразную форму: круглую, эллиптическую, овальную, реже лимонообразную и цилиндрическую, иногда сильно вытянутую в виде гиф. Форма и структура клеток непостоянна, она может изменяться в связи с изменением условий культивирования. Дрожжевая клетка состоит из клеточной мембраны, цитоплазмы, внутри которой расположены органоиды (ядро, митохондрии, рибосомы, вакуоль, Гольджи аппарат) и включения (запасные вещества) в виде капелек жира, зерен гликогена и волютииа (рис. 1).
Рис. /. Схема поперечного разреза дрожжевой клетки: 1 — цитоплазматическая мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — аппарат Гольджи; 4 — эндоплазматическая сеть; 5 — жировые капельки; 6 — митохондрия; 7 — ядро; 8 — рубец, где отпочковалась клетка; 9 — ядрышко; 10 — гранулы волютина (метахроматина); 11 — рибосомы; 12 — вакуоль; 13 — клеточная оболочка.
Молодые клетки имеют гомогенную цитоплазму, иногда небольшую вакуоль. С возрастом клетки появляется зернистость, вакуоль увеличивается. Размер клеток варьирует от 5 до 7 мкм в диаметре и от 8 до 12 мкм в длину. При таких небольших размерах клеток поверхность их в 1л бродящего виноградного сусла может достигать 10 м2. Такая большая поверхность определяет активный обмен дрожжей с окружающей средой. Относит, плотность клеток составляет 1,055—1.06. С наступлением неблагоприятных условий возникают более устойчивые покоящиеся клетки — артроспоры и сумки со спорами. Артроспоры сохраняют форму вегетативных клеток, но отличаются от них более плотной плазмой, наличием гликогена, капель жира и утолщенными оболочками. Сумки со спорами обычно повторяют форму и размер вегетативных клеток. Форма и размер спор у различного рода спорегенных дрожжей отличаются.
Размножение дрожжей
Существует 2 вида размножения дрожжей — вегетативное (бесполое) и половое с образованием спор. У большинства видов дрожжей вегетативное размножение осуществляется почкованием, редко делением (Schizosaccharomyces). Аспорогенные. дрожжи размножаются только почкованием. Половое размножение происходит при неблагоприятных условиях, когда дрожжи перестают почковаться и превращаются в сумки (аски) со спорами — аскоспоры. Половой процесс заключается в копуляции (слиянии) 2 вегетативных клеток путем сближения их и образования копуляционного канала, в котором происходит слияние частей плазмы и ядра клеток, называемое кариогамией, с образованием диплоидной зиготы, представляющей 2 клетки, соединенные копуляционным каналом. Редукционное деление, или мейоз, сопровождаемое уменьшением числа хромосом вдвое, происходит сразу, без полового процесса, и зигота превращается в аск с 4 гаплоидными спорами, поэтому вегетативное поколение таких спор гаплоидно. Споры прорастают без копуляции. Так происходит размножение у дрожжей Zygosaccharomyces (рис. 2Б). У дрожжей Saccharomyces половой процесс происходит при слиянии спор или проросших из них клеток с образованием диплоидной зиготы, которая сразу начинает почковаться, образуя диплоидное потомство (рис. 2А). Мейоз происходит непосредственно перед образованием спор.
Рис. 2. Половое размножение и цикл развития дрожжей: а — аскоспоры; б — оплодотворение; в — хромосомная редукция; г — диплоидные клетки, преобразующиеся в аски и образующие аскоспоры в количествах, изменяющихся в зависимости от вида. Гаплоидная генерация изображена пустыми фигурами, диплоидная — заштрихована. А — Saccharomyces; Б — Zygosacharomyces; В — Saccharomycodes
Рост и развитие дрожжей.
Рост дрожжей складывается из 2 различных процессов: возрастания числа клеток и увеличения их биомассы, что вызывает изменение морфологических и физиологических свойств клеток дрожжей — их развитие. В процессе развития в жидкой питательной среде дрожжи проходят 4 осн. фазы роста. Кривая роста описывает логарифмическую зависимость числа клеток от времени и позволяет различить несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной последовательности (рис. 3). Лаг-фаза характеризуется интенсивной метаболической активностью, хотя количество дрожжей не увеличивается или увеличивается незначительно. Она включает латентный (скрытый) этап, когда дрожжи адаптируются к новым условиям среды путем синтеза РНК и ферментов и подготавливаются к быстрому росту, который должен наступить за лаг-фазой. Количество РНК и белка возрастает в 8—12 раз, а содержание ДНК остается постоянным. Логарифмическая, или экспоненциальная фаза характеризуется максимальной скоростью роста, увеличением числа клеток в геометрической прогрессии. Культура состоит из „стандартных клеток». Однако вследствие потребления источников питания и накопления в среде продуктов обмена наступает стационарная фаза. Число клеток остается постоянным, число образующихся новых клеток равно приблизительно числу отмерших. В ней достигается максимальная плотность популяции. Кривая параллельна оси абсцисс. Фаза отмирания наступает с дальнейшим истощением среды и накоплением вредных продуктов обмена. Число живых клеток уменьшается, мертвых — возрастает. Начинается процесс автолиза мертвых клеток. Продлить время логарифмической фазы можно при использовании непрерывного метода брожения, когда состав среды остается постоянным вследствие непрерывного обновления. В виноделии непрерывные методы широко используются при сбраживании виноградного сусла, в производстве шампанского и хереса. Скорость роста выражается абсолютными и относительными показателями: абсолютный (валовой) прирост биомассы, удельная скорость роста, время генерации и др. Важным показателем физиологического состояния культуры является экономический коэффициент — отношение количества образовавшейся биомассы к количеству потребленного субстрата. Переход дрожжей из одной фазы в другую обусловлен изменением содержания в клетках физиологически важных соединений — аминокислот, белка, фосфатов, нуклеиновых кислот и др. По фазам роста на определенных участках кривой можно судить о стадиях развития и физиологическом состоянии дрожжей В основе жизни микроорганизмов лежит непрерывный обмен веществ, или метаболизм, состоящий из 2 процессов — диссимиляции и ассимиляции. Дрожжи являются факультативными анаэробами. Процессы брожения и дыхания, аэробный и анаэробный распад углеводов играют основную роль в метаболизме дрожжевой клетки (см. также брожение спиртовое, дыхание дрожжей, энергия брожения).
