Дрожжи крупноклеточные овальные клетки, приспособлены к повышенной кислотности теста и к его кислотообразующей микрофлоры.
Дрожжи сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, простые декстрины, не сбраживают лактозу, крахмал, клетчатку. Они усваивают этиловый спирт, молочную кислоту, уксусную кислоту.
Дрожжевая клетка состоит из оболочки, цитоплазматической мембраны и цитоплазмы. Размер клетки составляет в среднем 8-10 мкм.
В зависимости от наличия кислорода в культуральной среде хлебопекарные дрожжи могут перестраиваться на спиртовое брожение или на анаэробное потребление углеводов. Подавление процесса спиртового брожения в присутствии кислорода получило название «эффекта Пастера» и выражается количественно сравнением величины сбраживания гексозы в анаэробных и аэробных условиях.
Из общих моментов, характеризующих сбраживание сахаров дрожжами, следует отметить, что кинетика этого процесса подчиняется теории Михаэлиса-Ментона в пределах концентрации глюкозы от 0,2 до 5%, а для фруктозы – от 0,4 до 6,0%. Константа Михаэлиса-Ментона (концентрация субстрата, выраженная в молях на литр, при которой наблюдается скорость реакции, равная половине максимальной). Км равна 0,01067 для глюкозы, а для фруктозы – 0,0225, что показывает преимущественное сбраживания глюкозы.
Известно, что скорость инверсии сахарозы дрожжами превышает скорость сбраживания ее компонентов — глюкозы и фруктозы. Если в бродящей среде сахароза является единственным источником сброженных сахаров, то это не лимитирует процесс брожения. Это имеет существенное значение для теоретических расчетов при брожении теста с незначительной продолжительностью (ускоренные технологии) или низкой активностью ферментов, осахаривания крахмала, где единственным источником сброженных углеводов является сахар-песок, добавляемый по рецептуре.
Температура оказывает значительное влияние на интенсивность спиртового брожения. Классические исследования Слетора показали, что величина температурного коэффициента брожения уменьшается с ростом температуры.
Дрожжи, устойчивые к высоким температурам, носят название термотолерантных дрожжей.
Важное значение имеет осмочуствительность дрожжевых клеток, то есть их способность сбраживать сахара при повышенных концентрациях хлористого натрия (около 2% к массе муки).
При производстве хлебобулочных изделий, в рецептуру которых входит сахар, важна устойчивость дрожжей по отношению к высокой концентрации сахаров (сахаротолерантность).
Для технологий, предусматривающих замораживание полуфабрикатов, необходимо учитывать криотолерантность дрожжей.
Эффективность процесса спиртового брожения в полуфабрикатах хлебопекарного производства в значительной степени определяется целым комплексом ферментативных превращений под действием зимазного комплекса ферментов: глюкозидазы, мальтопермеазы, фруктоизомеразы, фруктофуранозидазы, карбоксилазы, протеиназ, пептидаз.
Ферменты, входящие в состав дрожжевой клетки, делятся на экзоферменты и эндоферменты. Екзоферменты выделяются клеткой для гидролиза сложных веществ среды на простые, которые затем проникают через пористую клеточную стенку дрожжей внутрь, эндоферменты – не выделяются в среду и действуют внутри клетки.
Различают конститутивные и адаптивные (индуцированные) ферменты. У конститутивных ферментов субстратом для их индукции служат метаболиты, образующиеся в клетке при ее жизнедеятельности, в адаптивно-индуктором является субстрат, содержащийся в питательной смеси.
Механизм поступления питательных веществ внутрь клетки достаточно сложен. Различают три способа транспорта: пассивный, связанный и активный.
Пассивная диффузия является транспортом вещества через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Скорость диффузии пропорциональна разности концентраций по обе стороны мембраны и зависит от размера транспортируемого вещества.
Полярные и ионизированные вещества имеют очень низкую растворимость в липофильных растворах, поэтому такие вещества практически не транспортируются через мембрану за счет пассивной диффузии. Промежуточные метаболиты превращения сахаров в диоксид углерода преимущественно являются ионизированными соединениями и поэтому удерживаются внутри дрожжевой клетки.
Некоторые полярные вещества легко проникают через клеточную мембрану. Одним из механизмов, объясняющих этот факт, является механизм связанного транспорта. Согласно этому механизму субстрат на внешней поверхности мембраны соединяется с молекулой-транспортером, комплекс, образующийся далее «диффундирует» к другой поверхности мембраны и там расщепляется, выделяя перенесенной молекулу во внутренний объем клетки. Связанный транспорт также характеризуется разностью концентраций перенесенной через клеточную мембрану вещества. Функции молекул-транспортеров часто выполняют белки-пермеазы.
Для активного транспорта характерно движение вещества против градиента концентрации (из области с низкой в область с высокой концентрацией вещества). Для осуществления активного транспорта затрачивается метаболическая энергия клетки. Причем, скорость переноса глюкозы и аминокислот через клеточную мембрану при активном транспорте значительно выше, чем при пассивной диффузии.
Транспорт веществ с участием переносчиков имеет три характерные черты:
- Скорость проникновения вещества через клеточную мембрану зависит от его концентрации. При низких концентрациях активный транспорт характеризуется как зависимость первого порядка, и скорость транспорта пропорциональна разности концентраций вещества снаружи клетки и внутри нее. Увеличение концентрации вещества в растворе до определенной концентрации приводит к тому, что скорость проникновения вещества не зависит от его концентрации.
- Связанный и активный транспорт характеризуется субстратной специфичностью, т.е. переносится только одно вещество или группа сходных по строению веществ.
- В связи с тем, что транспорт осуществляется с помощью белков-переносчиков, он может тормозиться как конкурентно (некоторые вещества могут конкурировать с субстратом за специфический центр в транспортных системах), так и неконкурентно (определенные вещества изменяют конформацию центра связывания в транспортных системах).
Таким образом, для адаптации дрожжей к условиям полуфабрикатов хлебопекарного производства необходимо создание благоприятных условий среды для синтеза определенных ферментов.
Промышленное производство хлебопекарных дрожжей осуществляется, как правило, на мелассной среде, основной составной частью которой являются сахара в виде сахарозы. В связи с этим дрожжевая клетка активно индуцирует экзоферменты – фруктофуранозидазы, легко выделяемые в окружающую среду. Фермент-фруктофуранозидаза всегда присутствует в клетке и является локализованным на внешней стороне клеточной мембраны. В связи с этим гидролиз сахарозы происходит прежде, чем она проникает в дрожжевую клетку, активность фермента высока и проявляется с первых минут брожения полуфабрикатов.
Питательная смесь, в которой выращивают дрожжи, не содержит мальтозы, поэтому индукция фермента глюкозидазы (мальтозы) слабая. Эндоферменты глюкозидазы локализуется в цитоплазме дрожжевой клетки. При сбраживании мальтозы углевод проникает внутрь клетки и там расщепляется на две молекулы глюкозы ферментом глюкозидазой.
Способность хлебопекарных дрожжей разрыхлять тесто зависит от активности зимазного комплекса клеток и от наличия сброженных сахаров. Сахара в мучных полуфабрикатах хлебопекарного производства имеют несколько источников их происхождения — собственные сахара муки; сахара, получаемые под действием ферментов муки и дрожжей; сахара, добавляемых в полуфабрикаты по рецептуре.
Учитывая недостаточное количество собственных сахаров муки их технологическое значение незначительно. Как источник углерода их достаточно только на начальном этапе брожения полуфабрикатов. Источником сахара при созревании полуфабрикатов является крахмал, который под действием амилолитических ферментов муки расщепляется до — декстринов и мальтозы. Основным «технологическим сахаром» в полуфабрикатах хлебопекарного производства, не содержащем в своем составе рецептурного сахара, является мальтоза.
Зимазний комплекс ферментов дрожжей обеспечивает преобразование моносахаров в спирт и диоксид углерода. Глюкоза сбраживается непосредственно, а фруктоза после изомеризации ее в глюкозу фруктоизомеразой дрожжей, которая является индуцированным ферментом. Ферменты, сбраживающие глюкозу и сахарозу, является конститутивными. Сахароза заранее превращается в глюкозу и фруктозу под действием фруктофуранозидазы дрожжей, причем скорость ее инверсии очень велика.
При наличии мальтозы в среде дрожжевая клетка секретирует фермент мальтопермеазу, который осуществляет транспорт мальтозы внутрь клетки, и фермент глюкозидазу (мальтазу), расщепляющий мальтозу на две молекулы глюкозы, которая затем непосредственно сбраживается дрожжами с их участием зимазного комплекса с образованием диоксида углерода и этанола. Ферменты, участвующие в сбраживании мальтозы (мальтопермеаза и глюкозидазы), формируются только после того, как дрожжевые клетки оказываются в среде, содержащей этот дисахар. Они являются индуцированными (адаптивными) ферментами.
Переключение дрожжей из сбраживания глюкозы в сбраживание фруктозы и мальтозы требует определенного периода, связанного с индукцией ферментов, поэтому скорость газообразования в полуфабрикатах в этот период несколько снижается. После адаптации к сбраживанию мальтозы скорость газообразования в тесте снова растет до тех пор, пока не будет нехватка мальтозы в среде.