Влияние полисахаридов бурых водорослей на процессы жизнедеятельности дрожжей Saccharomyces cerevisiae

В процессе хлебопечения важное значение отводится качеству используемых хлебопекарных дрожжей, прежде всего их физиологическому состоянию и биохимической активности, так как от этого зависит структура полуфабриката, объем и форма готовых хлебобулочных изделий. Хлебопекарные дрожжи относятся к семейству Saccharomycetaceae , род Saccharomyces , вид Saccharomyces cerevisiae , являются биологическими разрыхлителями [1, 4].

Технологическая роль хлебопекарных дрожжей в пшеничном тесте заключается в выделении ими углекислого газа, разрыхляющего тесто и придающего ему пористую структуру, а также этилового спирта, придающего специфический аромат и вкус готовым изделиям (процесс спиртового брожения). Вместе с тем дрожжи не всегда способны сохранять высокую активность и наполнять пищевую систему продуктами метабо- лизма [7, 14]. Многочисленные исследования последних лет показывают целесообразность, а в некоторых случаях необходимость стимуляции метаболизма дрожжевых клеток с применением различных подходов.

В настоящее время на кафедре «Пищевые и биотехнологии» ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» изучается возможность использования в качестве стимулирующих добавок полисахаридов бурых морских водорослей – фукоидана и альгината натрия [5, 8, 10]. В многочисленных работах доказана биологическая активность сульфатированннного гетерополисахарида бурых водорослей – фукоидана, содержащего редкий моносахарид α-L-фукозу, а также растворимых пищевых волокон – солей альгиновых кислот, которые являются энтеросорбентами радионуклидов, солей тяжелых металлов и жирных кислот [11–13, 15].

Целью настоящего исследования являлось изучение возможности использования полисахаридов бурых водорослей в качестве биостимуляторов активности дрожжей Saccharomyces cerevisiae и оценка их влияния на технологические показатели хлебопекарных дрожжей.

Объекты и методы исследования

В качестве источника полисахаридов бурых водорослей использовали биологически активную добавку (БАД) к пище «Фуколам-С-сырье» (рег. № RU.77.99.11.003.E.003.153.11.10). Сырьем для получения БАД являются полисахариды бурых водорослей: фукоидан - не менее 60 % и альгинат натрия - 40 % [6]. Для увеличения эффективности применения полисахаридов был применен метод микроструктурирования низкочастотным ультразвуковым воздействием (далее по тексту НУЗВ), позволяющий обеспечить перевод частиц длинноцепочечных полисахаридов нананоразмерный уровень. Процесс микроструктурирования осуществляли с применением ультразвукового генератора «ВОЛНА», модель УЗТА-0,63/22-ОМ (ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» г. Бийск, 2017), предна- значенного для интенсификации физикохимических процессов в системах с жидкой дисперсионной средой. Для микроструктурирования использовали воздействие ультразвука мощностью 630 Вт/л, время экспозиции составляло 30 мин для поддержания температуры на уровне 50 °С использовалась охлаждающая рубашка.

В качестве биостимуляторов использовали:

• -    1 %-ный водный раствор БАД «Фуколам-С-сырье» в нативном виде;

• -    1 %-ный водный раствор микрострукту-рированнного БАД - ПБВ_микр «Фуколам-С-сырье».

В качестве биоматериала для получения дрожжевых суспензий использовали дрожжи хлебопекарные прессованные «Люкс экстра» (ООО «САФ-НЕВА», г. Воронеж). Качество дрожжей соответствовало требованиям ГОСТ Р 54731-2011 «Дрожжи хлебопекарные прессованные. Технические условия» (табл. 1).

Активацию дрожжей проводили следующим способом: готовили питательную среду из

Таблица 1

Результаты оценки качества образцов дрожжей хлебопекарных прессованных

Наименование показателя Характеристика, значение показателя фактические значения норма согласно ГОСТ Р 54731-2011 Органолептические показатели Внешний вид Плотная масса, легко ломается, не мажется Плотная масса, легко ломается и не мажется Цвет Кремовый, равномерный, без пятен Равномерный, без пятен, светлый, допускается сероватый, кремова-тый или желтоватый оттенок Вкус Свойственный дрожжам, без постороннего привкуса Пресный, свойственный дрожжам, без постороннего привкуса Запах Свойственный дрожжам, без постороннего запаха Свойственный дрожжам Физико-химические показатели Массовая доля сухого вещества, % 29 Не менее 27 Подъемная сила дрожжей, мин 13 Не более 50 Кислотность дрожжей на 30-е сутки хранения при температуре от 0 до 4 °С в пересчете на уксусную кислоту, мг на 100 г дрожжей 302 Не более 320 биостимуляторов, затем дрожжевую культуру выдерживали в питательной среде с гидромодулем 1:10 при температуре 30 °С в течение 15 минут.

Для исследования было определено 3 образца:

Образец 1 (контроль) - активированная дрожжевая суспензия без биостимуляторов;

Образец 2 ‒ активированная дрожжевая суспензия с биостимулятором - 1 %-ным водным раствором БАД «Фуколам-С-сырье» в нативной форме;

Образец 3 - активированная дрожжевая суспензия с биостимулятором - 1 %-ным водным раствором микроструктурированного БАД - ПБВ_микр «Фуколам-С-сырье».

Физиологическую активность дрожжевых клеток определяли по содержанию в них резервного полисахарида - гликогена, а также волютина методом светлопольной микроскопии и окрашивания дрожжей.

Для исследования влияния биостимуляторов ПБВ на бродильную способность дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae оценивали их подъемную силу по скорости всплывания шарика теста (ускоренный метод) в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54731‒2011 «Дрожжи хлебопекарные прессованные. Технические условия». Для контрольного образца готовили шарик теста на водно-мучной смеси. Опытные образцы готовили на растворах биостимуляторах ПБВ «Фуколам-С-сырье» и ПБВ_микр «Фуколам-С-сырье», которые добавляли в количестве 50 мл на 100 г муки.

Для оценки бродильной активности дрожжевых суспензий использовалась модификация метода определения интенсивности выделения диоксида водорода манометрическим способом на аппарате Варбурга для газообмена. В основе модификации аппарата Варбурга лежит тот же метод технологической оценки активности дрожжей по интенсивности выделения CO 2 , в котором учитывалось не время, затраченное на образование 10 мл диоксида углерода, а количество углекислоты, выделенное изучаемыми дрожжами за 1 ч.

Для оценки жизненной силы дрожжей использовали модификацию весового метода определения прироста биомассы дрожжей в аэробных условиях по истечении 1 часа в условиях термостатирования при 30 °С с последующим центрифугированием дрожжевой суспензии.

Результаты и их обсуждение

Клетки дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae в основном имеют овальную, округлую, яйцевидную или слегка удлиненную форму и в зависимости от возраста цитологические особенности дрожжевой клетки изменяются. Установлено, что молодые клетки дрожжей, характерные для 12-18-часовой культуры при микроскопировании имеют тонкую прозрачную оболочку, без видимых включений, цитоплазму и небольшую вакуоль. Молодые дрожжи интенсивно размножаются, при этом доля почкующихся клеток может достигать 70-80 % [2, 3].

Зрелые дрожжевые клетки, которые визуализируются в 24-48-часовой культуре, имеют зернистую неоднородную цитоплазму. Количество клеток с вакуолями значительно увеличивается, но с течением времени процесс размножения дрожжей замедляется, а процент почкующихся клеток составляет в среднем 10-15 [9].

Исследование активности дрожжевых клеток в присутствии биостимуляторов ПБВ проводили микроскопически (табл. 2), для этих целей готовили окрашенные препараты активированных дрожжевых суспензий.

В поле зрения наблюдаются дрожжевые клетки овальной, округлой, удлиненной формы разных размеров, для образцов в присутствии биостимуляторов отмечается увеличение числа дрожжевых клеток и активизация физиологических процессов.

Физиологическую активность дрожжевых клеток определяли по содержанию в них резервных веществ - гликогена и волютина, характерных для зрелых культур. Полученные данные явно указывают на то, что внесение биостимуляторов ПБВ благоприятствует течению физиологических процессов. В поле зрения наблюдаются почкующиеся клетки. Причем при культивировании дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae в присутствии ПБВ_микр «Фуколам-С-сырье» наблюдается более интенсивное накопление запасных веществ - гликогена и волютина (около 96-97 %). При культивировании дрожжей на питательных средах, в составе которых присутствуют полисахариды бурых водорослей в микрострукту-рированном виде, количество клеток с гликогеном значительно увеличивается (около 70 %), что свидетельствует об активном развитии и зрелости дрожжей.

Таблица 2

Результаты оценки физиологического состояния дрожжей Saccharomyces cerevisiae в исследуемых образцах суспензий

Образец 1 (контроль)

Образец 2 (в присутствии ПБВ «Фуколам-С-сырье»)

Образец 3 (в присутствии ПБВ микр «Фуколам-С-сырье»)

Определение включений гликогена в клетках дрожжей (окрашивание раствором Люголя)

Определение включений зерен волютина (окрашивание по методу Нейссера)

Количество дрожжевых клеток с зернами волютина, %

Не установлены

11–12 %

96–97 %

Наиболее активно используемой в пищевой промышленности способностью дрожжей является их способность к брожению. Для процессов хлебопечения наиболее важным технологическим показателем активности дрожжей является их подъемная сила.

Подъемную силу активированных дрожжей определяли через каждые 30 минут после замеса теста, результаты исследования представлены на рис. 1.

Анализ результатов показал, что внесение биостимуляторов ПБВ как в нативной форме (ПБВ «Фуколам-С-сырье»), так и в микро-структурированной (ПБВмикр «Фуколам-С-сырье») позволяет сократить длительность активации прессованных дрожжей на 1,5 часа по отношению к контролю (длительность активации составляет 3 часа). При этом использование ПБВмикр «Фуколам-С-сырье» увеличивает подъемную силу дрожжей на 3,3 % в сравнении с контрольным образцом теста, на 1,9 % в сравнении с образцом теста, содержащего нативную форму биостимулятора.

Другими важными показателями, характеризующими биотехнологические свойства дрожжей хлебопекарных, являются: показатель бродильной активности и прироста сырой биомассы (рис. 2).

Полученные результаты (рис. 2а) доказывают, что исследуемые образцы дрожжевых суспензий в средах, имеющих разный состав, проявляют по накоплению диоксида углерода

Рис. 1. Динамика изменения подъемной силы дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae при внесении биостимуляторов ПБВ, мин

Рис. 2. Результаты оценки биотехнологических характеристик хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae при регидратации их в среде разного состава разный уровень бродильной активности. При регидратации дрожжей в присутствии ПБВ «Фуколам-С-сырье» бродильная активность дрожжей Saccharomyces cerevisiae составила 4,2 %, в растворе ПБВмикр «Фуколам-С-сырье» - 4,3 %, тогда как в дистиллированной воде -3,8 %.

Определение прироста биомассы дрожжей (рис. 2б) показало корреляцию с бродильной активностью. Так, добавление нативного ПБВ «Фуколам-С-сырье» увеличивает прирост биомассы дрожжей на 23 %, а микро-структурированного ПБВмикр «Фуколам-С-сырье» - на 38 %.

Полученные результаты в целом согласуются с данными оценки физиологического состояния дрожжевых клеток вида Saccharo-myces cerevisiae и показателя подъемной силы.

Заключение

Результаты проведенных исследований показали, что в присутствии биостимуляторов – полисахаридов бурых водорослей, происходит активация метаболических процессов в дрожжевых клетках Saccharomyces cerevisiae . Наиболее выражено действие полисахаридов на стимуляцию физиологического состояния дрожжевых клеток при использовании модифицированной формы добавки - ПБВ_микр «Фуколам-С-сырье». Наблюдается более интенсивное накопление запасных веществ, сокращается длительность активации прессованных дрожжей, увеличивается их подъемная сила и прирост биомассы. В совокупности полученные результаты указывают на целесообразность применения микроструктурированных форм полисахаридов бурых водорослей в технологических процессах хлебопечения для активации дрожжей Saccharomyces cerevisiae.