Дрожжи

Значение дрожжей и необходимость точного контроля их качества

Пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) остаются важнейшим компонентом в пищевой промышленности, особенно при производстве хлеба и других ферментированных продуктов. Современные требования рынка диктуют необходимость быстрой, надёжной и экономически выгодной оценки качества дрожжей, которая напрямую влияет на качество конечного продукта.

Традиционные методы оценки качества дрожжей, такие как подсчёт жизнеспособных клеток на питательных средах, химическое определение содержания трегалозы, измерение внутриклеточного АТФ и определение газообразования теста, имеют существенные ограничения. Эти подходы трудоёмки, требуют большого количества времени и реагентов, а также не способны выявлять клетки, находящиеся в состоянии жизнеспособности, но не культивируемости (VBNC-клетки).

Ключевые параметры качества дрожжей

Жизнеспособность клеток

Жизнеспособность дрожжей традиционно определяется соотношением количества живых клеток к общему числу клеток. Однако стандартные методы не учитывают VBNC-клетки, которые способны оживляться в благоприятных условиях, но не выявляются в культуре.

Устойчивость к замораживанию

Способность дрожжевых клеток выдерживать замораживание и последующее размораживание критически важна для промышленного применения дрожжей, особенно при их длительном хранении.

Внутриклеточная концентрация трегалозы

Трегалоза – это дисахарид, служащий защитным агентом клеток в стрессовых условиях. Уровень трегалозы является важным показателем стрессоустойчивости дрожжей, и его повышение наблюдается в ответ на неблагоприятные условия, такие как замораживание.

Уровень внутриклеточного атф

АТФ отражает энергетический и метаболический статус клетки, напрямую влияя на её ферментативную активность и способность к ферментации, что критически важно для хлебопечения.

Метаболическая активность клеток (MAL)

Метаболическая активность является интегральным показателем состояния клетки, её способности эффективно участвовать в процессе брожения и продуцировать необходимые газы для подъёма теста.

Рамановская спектроскопия: инновационный подход к оценке качества

Рамановская спектроскопия на уровне одиночных клеток (Single-Cell Raman Spectroscopy, SCRS) предоставляет уникальную возможность оценивать важнейшие параметры качества дрожжей быстро и точно. Данный метод основан на измерении колебательных спектров молекул, что позволяет идентифицировать и количественно оценивать различные внутриклеточные компоненты, такие как трегалоза и другие углеводы.

Для определения жизнеспособности и метаболической активности применяется метод мечения тяжёлой водой (D₂O). Активные клетки встраивают дейтерий из тяжёлой воды в свои молекулы, что вызывает появление характерной полосы С-D в спектре (2040–2300 см⁻¹). Таким образом, интенсивность полосы С-D коррелирует с метаболической активностью и жизнеспособностью клеток.

Практическое применение рамановской спектроскопии для оценки качества дрожжей

В экспериментах были исследованы коммерческие штаммы дрожжей, используемые в производстве изделий с низким и высоким содержанием сахара. Исследования показали, что метод SCRS позволяет за считанные часы (около 5 часов) определить жизнеспособность, внутриклеточное содержание трегалозы и уровень метаболической активности, в то время как традиционные методы требуют до 9–11 дней.

Установлено, что SCRS выявляет на 10–20% больше жизнеспособных клеток по сравнению с классическим методом подсчёта на питательных средах. Это объясняется способностью SCRS обнаруживать VBNC-клетки, которые не могут быть выявлены традиционными методами.

Ключевые результаты и их значение

Жизнеспособность и устойчивость к замораживанию

Выяснилось, что устойчивость к замораживанию значительно выше у штаммов, предназначенных для продуктов с высоким содержанием сахара. В результате замораживания жизнеспособность дрожжей для низкосахарных продуктов уменьшалась в среднем на 39,8%, тогда как у высокосахарных штаммов – только на 17,6%.

Роль трегалозы в защите от стресса

После замораживания содержание трегалозы резко возрастало, особенно в высокосахарных штаммах (на 294% у одного из исследованных штаммов). Это подтверждает защитную роль данного дисахарида в ответ на стрессовые условия.

Корреляция уровней атф и ферментационной активности

Оценка внутриклеточного АТФ и объёма поднятия теста подтвердила, что низкосахарные штаммы быстрее запускают процесс ферментации, однако высокосахарные достигают аналогичных результатов на более поздних стадиях. Использование SCRS позволило выявить разнородность метаболической активности в популяциях дрожжей, что невозможно при применении традиционных методов оценки.

Преимущества рамана перед традиционными методами

SCRS метод имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, он не требует разрушения клеток, что позволяет проводить повторные измерения и наблюдать динамику. Во-вторых, он гораздо быстрее и дешевле (примерно в 10 раз быстрее и в 7 раз дешевле по расходным материалам). В-третьих, метод позволяет одновременно оценивать несколько параметров качества на уровне отдельной клетки, предоставляя уникальную информацию о гетерогенности клеточных популяций.

Перспективы и расширение применения

SCRS может быть интегрирован с другими современными методиками, такими как сканирующая электрохимическая микроскопия (SECM) и высокопроизводительная проточная рамановская цитометрия (FlowRACS), что позволит ещё больше повысить скорость и информативность анализа. Потенциально метод может применяться не только для контроля качества дрожжей, но и в области оценки пробиотиков, а также для выявления патогенных бактерий, находящихся в состоянии VBNC, что особенно актуально для пищевой безопасности.

Таким образом, применение рамановской спектроскопии на уровне одиночных клеток открывает принципиально новые возможности для быстрой, экономичной и точной оценки качества дрожжей и других микроорганизмов, что критически важно для пищевой индустрии и безопасности потребителей.