Виды аэробной ферментации

Аэробная ферментация

Этот процесс называется так потому, что протекает он с участием кислорода. Когда кофе обрабатывается натуральным способом, ферментация происходит во время сушки во внешних слоях ягод. Она может продолжаться до 30 дней или до тех пор, пока влажность не составит 11-12%. Фермер может управлять условиями сушки кофе: регулировать толщину кофейного слоя на патио или африканских кроватях, контролировать частоту перемешивания и следить за временем, которое кофе проводит в тени. Этот тип ферментации во многом зависит от температуры и влажности окружающей среды, что делает его сложным и нестабильным.

Обработка хани тоже включает в себя аэробную ферментацию: сразу после депульпации ягоды отправляются на сушку и проводят там от недели до двух, в это время в мякоти и муселяже происходят ферментационные процессы.

При мытой обработке также возможен аэробный процесс ферментации. Ягоды депульпируют, оставляя мякоть и мусиляж, и помещают в ферментационные танки (они могут представлять собой либо большие баки, либо каменные бассейны) на 18-36 часов. После этого остатки мякоти смывают, а зёрна отправляют на сушку. Ключевое отличие этого способа от анаэробной ферментации — отсутствие воды в ферментационных танках, то есть ферментация в этом случае происходит под воздействием кислорода.

Вкусология

Вкус — это определенное ощущение, воспринимаемое рецепторами во рту.

Сегодня выделяют пять базовых вкусов:

• кислый;
• горький;
• сладкий;
• соленый;
• умами (вкус высокобелковой пищи, выделяемый в самостоятельный, пятый вкус в Китае, Японии и других странах Дальнего Востока).

Аромат — это ощущение восприятия летучих компонентов:

• ортоназальное обоняние (нос);
• ретроназальное обоняние (полость рта).

Важно помнить, что мы подразумеваем под вкусом только эффект от тактильных ощущений, тогда как слово flavour в английском относится к общему букету, который проявляется от восприятия аромата и вкуса как единого целого.

Люди в мире делятся на три группы:

• nontasters — те, кто не могут определить базовый вкус продукта и не способны к дегустации (25%);
• tasters — те, кто способны определять базовые вкусы (50%);
• supertasters — те, кто обладают умением определять не просто вкус, но и его качество, баланс, комплексность и интенсивность (25%).

Вкусовыми рецепторами принято считать чувствительные клетки, располагающиеся на слизистой оболочке языка и нёбе. Когда разные химические вещества начинают взаимодействовать с этими клетками, возникает ощущение вкуса.

Каждая клетка может среагировать на какой-то конкретный вкус. Поэтому располагаются вкусовые рецепторы не равномерным слоем, а группами, клетки которых реагируют на один и тот же вкус.

Данная карта с расположением рецепторов на языке более не актуальна из-за развития исследований в этой области

Ключевой элемент вкусологии — это непосредственное распознавание вкуса. Любая информация: термическая, обонятельная, зрительная — стремится по нервным волокнам в мозг. Мы практически мгновенно понимаем, что едим, первая информация о вкусовой стимуляции доходит до коры головного мозга примерно за 150 миллисекунд. Причем информация может поступать уже от одного взгляда на объект, который мы собираемся употребить. Информация о распознавании будет доходить до мозга гораздо дольше, если пробовать объект с закрытыми глазами и зажатым носом.

В кофе мы можем воспринимать три базовых вкуса: кислый, сладкий, горький (соленость в чистом виде вы скорее почувствуете при добавлении чего-то жирного в кофе). Ассоциативный ряд с лаймом (кислотность) или арбузом (сладость) либо с горьким шоколадом (горечь) появляется благодаря генетике, вкусовому опыту и натренированности рецепторов. В одном и том же кофе кто-то чувствует вкус чайной розы, а кто-то джем из красной смородины. И у каждого был свой путь к данной вкусовой ассоциации.

Кислотность в кофе

Кислотность есть не только в кофе, но и во фруктах, ягодах, молочных продуктах. Кислоты в кофе — это скорее приятное ощущение, нежели угроза желудку.

Когда говорят о богатстве вкуса, зачастую имеют в виду сложные и простые кислоты, которые вы обнаружили в напитке и смогли ассоциировать с чем-то положительным, например с какими-то фруктами, ягодами и даже цветами. В свою очередь, горечь имеет гораздо меньше положительных ассоциаций: горький шоколад, жареный орех, специи.

На формирование и выраженность кислотности влияют:

• высота произрастания: чем выше растет кофейное дерево, тем больше перепадов температуры и, соответственно, ниже содержание кислорода. Такие условия способствуют более длительному созреванию и приобретению органических кислот;
• обработка зерна: мытая обработка смывает часть поли- и моносахаров, выводя на первый план органические кислоты;
• обжарка: чем светлее обжарен кофе, тем лучше мы можем познакомиться с терруаром зерна, а именно с компонентами, которые формировались в кофе во время созревания. Как видно из таблицы выше, при долгой обжарке явные кислоты постепенно разрушаются. Если кофейное зерно имеет в себе потенциал превосходной кислотности, темная обжарка убьет все эти вкусы;
• способ приготовления: при контакте воды с кофе в первую очередь экстрагируются простые кислоты, которые и попадают в чашку. Чем дольше процесс экстракции, тем больше в чашку попадает более горьких нот, которые перекрывают естественные кислоты. При более крупном помоле кофе вода успевает вытащить кислую часть, едва затрагивая горькую. Чаще всего очень кислотный кофе употребляют в фильтр-заваривании. Также стоит помнить, что при остывании кислотность в кофе становится ярче и интенсивнее.

Горечь в кофе

Горечь всегда присутствует в кофе. Она вызвана:

• кофеином: очень низкий вклад в горечь напитка;
• меланоидами: химическая реакция между сахарами и белками во время обжарки;
• хлорогеновыми кислотами: чем сильнее обжарка, тем больше горечи.

Главные индикаторы горечи в кофе:

• робуста;
• темная обжарка;
• чрезмерно горячая вода;
• слишком долгий контакт воды с кофе.

Наши рецепторы гораздо тоньше настроены на распознавание горечи, нежели других базовых вкусов. Связано это с эволюционным развитием рецепторов. В эпоху собирательства наши предки особое внимание уделяли ядовитой пище, ведь большинство ядов имеют горький вкус. Именно поэтому наши рецепторы быстрее всего улавливают горькие ноты, даже если концентрация кислотности в продукте выше.

Сладость в кофе

Зачастую при ассоциации с чем-то сладким мы думаем о сахаре. Хотя данный эффект может возникать от разных аминокислот, глицерина и некоторых белковых веществ.

Основные сахара в кофе: глюкоза, фруктоза, сахароза. Их количество настолько мало, что если вы и почувствуете сладость, то, вероятнее всего, не благодаря сахарам. Ученые до сих пор пытаются понять, почему человек говорит, что чувствует сладость в кофе, когда общая концентрация натуральных сахаров гораздо ниже того, что может воспринять человек. Последние исследования связывают данный факт с несколькими возможными причинами:

• мы распознаем какие-то фрукты или медовые оттенки, которые у нас ассоциируются с чем-то сладким;
• низкая интенсивность напитка свидетельствует о более низком содержании как горьких, так и кислотных нот, которые позволяют почувствовать сладость.

Подробнее с проведенными исследованиями на данную тему можно ознакомиться здесь.

На восприятие вкуса помимо чувствительности наших рецепторов может влиять настроение, пол, диета, вредные привычки, температура, свет и в особенности цвет.

Ароматика

Ученые выделяют 50 миллионов рецепторов запаха в обонятельном эпителии.

Люди могут распознать 10 000 запахов, а различить только 4000. Хотя тут вопрос практики.

Способность чувствовать и различать ароматы у животных развита в разы сильнее чем у человека.

Мы улавливаем запах следующим образом:

• запах в виде закодированной информации поступает в нос человека;
• эта информация отправляется в виде сигналов в мозг;
• оттуда в лимбическую систему, которая отвечает за внутреннее состояние человека (эмоции, память, сон).

Сам аромат из воздуха попадает не просто в нос, а ложится в его полость, «дотрагиваясь» до обонятельных клеток (около 30 миллионов нейронов). На поверхности этих ресничных клеток находятся рецепторы, которые первыми сталкиваются с летучим компонентом.

В кофе выделяют три типа ароматов:

• энзимные, или ферментные;
• ароматы от процесса карамелизации;
• ароматы сухой дистилляции.

К энзимным/ферментным ароматам относят группы ароматов, которые определяются влиянием окружающей среды во время произрастания кофейного дерева.

Ароматы этой группы формируются на ранней стадии обжарки. Они потеряются, если обжарка будет длительной. В темных сортах кофе их не остается совсем.

Основные группы энзимных ароматов: цветочные, фруктовые, травяные. Они, как правило, сухие и свежие и исчезают очень быстро.

Главные группы ароматов, формируемые в процессе карамелизации: ореховый, карамельный, шоколадный. Определяющий фактор здесь — процесс обжарки.

Ключевой химический процесс в обжарке — реакция Майяра. Это реакция между аминокислотами и сахарами, которая неизбежна при нагревании. Процесс карамелизации — важная часть данной реакции, при ней перестраиваются поли- и моносахара в кофе. Главными факторами в этих процессах являются температура обжаривания и его длительность.

Сухая дистилляция, то есть горение кофейного зерна, наступает в заключительной фазе обжарки, когда клеточные структуры постепенно сгорают и появляются новые ароматы. При этом исчезает часть ароматов, возникших в предыдущие фазы.

Основные группы ароматов сухой дистилляции: смолистый, пряный, угольный.

Дефекты в кофе

Дефекты в кофе бывают разные, какие-то мы выдумываем сами, а некоторые даже не замечаем. Существует официальная классификация дефектов, разработанная ассоциацией SCA, где анализируется сырье до процесса обжарки.

Эквивалентность дефектов разнится: некоторые разрешены в небольшом количестве, какие-то даже совершенно недопустимы.

С точки зрения вкуса разберем самые распространенные дефекты, относящиеся непосредственно к кофе.

• Причина: нарушения в сушке зерна и хранении.
• Воздействие: плесень на кофе, формирование охратоксина А, неприятный аромат.

• Причина: некорректное использование температурных режимов на станции обработки.
• Воздействие: неприятный аромат и ускоренная порча продукта.

• Причина: несозревшие плоды кофейного фрукта.
• Воздействие: неестественный вкус кофе, проблемы при обработке и обжарке зерна.

• Причина: сбор плодов не с дерева, а с земли (те, что упали), либо сушка кофе прямо на земле, а не на специальный паллетах.
• Воздействие: высокий риск формирования охратоксина А.

Стоит сказать пару слов об охратоксине А (OTA). Это органическое соединение — продукт жизнедеятельности плесневых грибов родов аспергилл и пеницилл. При неравномерной сушке или плесневении до обработки мы будем иметь дело с OTA. Этот токсичный мутаген и канцероген в кофе — вечная головная боль фермеров. Евросоюз в свое время ввел жесткие ограничения на уровень OTA в обжаренном кофе — 10–20 нанограммов на грамм. Стоит также отметить, что при наличии в кофе ОТА его нельзя корректно обработать на ферме, и обжарка его не истребит. Однако количество ОТА в зеленом кофе (необжаренном) никто не ограничивает, всё остается на совести обжарщиков. Никто не хочет кормить людей канцерогенами, поэтому предотвратить образование плесени, а значит, и ОТА, стараются на всех стадиях: от обработки до сушки и транспортировки.

Дефектов в кофе более чем достаточно, но чаще всего они субъективны либо легко поправимы руками бариста или мастерством обжарщика. В любом случае нюансов, которые могут повлиять на вкус кофе, так много, что отследить их все попросту невозможно. Если вы хотите получать удовольствие от кофе, достаточно спросить себя, нравится ли вам этот вкус или нет. А так как понятия объективности не существует (мнение автора, если не согласны, то автор вдвойне прав), просто наслаждайтесь вашим кофе в любое время суток и помните, что 100 лет назад самым вкусным кофе считался тот, что горел даже в желудке. И никакого отслеживания OTA в кофе не было и подавно.

История использования ферментации

Луи Пастер в своей лаборатории

Определения

• Способы консервирования пищевых продуктов с помощью микроорганизмов (для общего пользования).
• Любой крупномасштабный микробный процесс, происходящий с воздухом или без него (общепринятое определение, используемое в промышленности).
• Любой процесс производства алкогольных напитков или кислых молочных продуктов (общего назначения).
• Любой метаболический процесс с высвобождением энергии, происходящий только в анаэробных условиях (в некоторой степени научный).
• Любой метаболический процесс, который высвобождает энергию из сахара или другой органической молекулы, не требует кислорода или системы переноса электронов и использует органическую молекулу в качестве конечного акцептора электронов (наиболее научно).

Формирование вкусов и ароматов

Род вечнозеленых растений Coffea произрастает по всему миру. «Кофейный пояс» находится между тропиками Рака и Козерога.

Вид и разновидности

Род кофе подразделяется на виды: арабика, робуста и др. Виды делятся на разновидности. Разновидности, например, арабики, создаются путем селекции или мутации. Самые популярные ее разновидности: типика, бурбон, мундо нова и катурра. Конечно, каждая разновидность в зависимости от места произрастания может сформировать свой уникальный вкус.

Когда в кофейне вам сообщают, что вы пьете 100%-ную арабику, это может означать всё что угодно, например, что кофе состоит из нескольких разновидностей зерна, которые произрастали в одной стране, а может, это селективный моносорт конкретной разновидности, выращенный и собранный на одной плантации.

Так или иначе, каждой разновидности свойственен свой уникальный вкус, который формировался в ней с момента высаживания до финального приготовления. Одна разновидность условной «гейши», созревшая в разных странах, будет нести в себе непохожие вкусовые профили, несмотря на общую генетику.

Тип сбора

Первый этап, на котором руки человека начинают вмешиваться во вкусовое ядро кофе, это сбор плодов. Сам по себе метод сбора зачастую диктуется подходом фермера, ландшафтными условиями и финансовой обеспеченностью.

Самый дорогой и верный метод сбора — пикинг — гарантирует, что человек вручную будет собирать только спелые кофейный фрукты.

Стриппинг тоже выполняется вручную, но срываются все плоды с ветки, даже неспелые. Механический сбор не отстает по популярности. Правда, большие машины с вибрирующими щетками могут не только собрать много и спелых, и несозревших плодов, но и сломать ветки деревьев, что нарушит дальнейшую культивацию.

Впрочем, обратные стороны есть у каждого способа: пикинг занимает очень много времени, и, возможно, вы заплатите не за крутое зерно, а за скрупулезный ручной труд. Стриппинг экономит время, но важно иметь хороший кофейный продакшен, который рассортирует нужные и ненужные плоды. Механический сбор массивен и подойдет не для любого ландшафта, но даже эти вибрирующие щетки можно настроить по скорости, чтобы не уничтожить всё вокруг.

Проще говоря, при любом методе сбора можно получить как сложный, богатый вкусом кофе, так и посредственное сырье. Здесь важен комплекс факторов. Однако нельзя игнорировать тот факт, что при ручном сборе шанс получить более качественный продукт гораздо выше. А при механическом сборе вероятно, что спелый вкусный плод будет держаться за ручку с недозревшим, который перебьет положительные вкусы в конечном напитке.

Обработка зерна

Раньше кофе обрабатывали только с целью извлечения зерна из кофейного фрукта. Со временем фермеры стали замечать, что разные способы обработки одного и того же вида зерна существенно влияют на вкус. В эпоху ответственного потребления фермеры начали обрабатывать кофейный фрукт, извлекая из этого выгоду. Способ обработки позволяет сделать продукт еще более уникальным.

Задача обработки кофе — вытащить зерна из фрукта. В каждом фрукте, как правило, два зернышка. Такой процесс легко выполнять вручную, но когда идет речь о миллиардах кофейных фруктов, на помощь приходят конкретные способы обработки. Важный этап любой обработки — это ферментация. Процесс брожения запускает расщепление сложных веществ на простые, формируя вкусовой профиль зерна. Бактерии и дрожжи, находящиеся на поверхности фрукта во время обработки, размножаются, проникая в мякоть. Это позволяет не только сформировать вкус, но и легко очистить зерна от всех слоев фрукта.

В целом ферментацию можно поделить два вида — с участием кислорода (аэробная) и без него (анаэробная).

Натуральный способ обработки подразумевает сушку фрукта в цельном виде на солнце. Благодаря тому, что фрукт сохнет вместе с зерном, сахара из мякоти и клейковины остаются в плоде. После долгой сушки (может доходить до четырех недель) фрукт отправляют на халлинг, где он легко очищается до состояния зерна. Кофе от такой обработки получается более сладким, тело напитка — плотным. Такой способ является самым старым и самым распространенным в мире, так как не требует больших вложений, а основной его ресурс — это солнце. Так как процесс ферментации происходит за счет кислорода, гораздо сложнее контролировать итоговый результат: слишком много внешних факторов сказывается на ферментации.

Мытая обработка появилась, когда кофе начали выращивать колониальные страны. В них более влажный климат, и зерно сушилось гораздо дольше, что впоследствии могло вызывать плесень на фруктах. Кофе очищается от кожицы, затем оставляется в ферментационном танке (с водой или без). Во время брожения бактерии и другие микроорганизмы запускают процесс ферментации, разрушая клейковину и мякоть, далее остатки плода смываются водой, и зерно отправляется на сушку. Такой способ существенно сокращает время обработки, а вкус кофе получается более чистый и кислотный. Конечно, с финансовой точки зрения не каждая ферма может себе позволить тонны воды для обработки урожая.

Обработка хани подразумевает сначала депульпацию, то есть отделение от фрукта кожицы и части мякоти с помощью оборудования, а затем плод с небольшим количеством мякоти сушится, приобретая медовый цвет и липкую консистенцию. Высушенное зерно в пергаментной оболочке очищают в последний момент перед экспортом. Вкус получается сладкий и сложный, тельность напитка средняя.

Когда речь заходит о «ферментированном кофе», обычно подразумевается какая-то экспериментальная ферментация, которая не входит в рамки привычной ферментации при трех перечисленных способах обработки. Как правило, экспериментальные ферментации более просты в управлении, дороги в закупке и все проводятся в анаэробной среде.

Один из самых популярных экспериментов — это кофе «Копи Лювак», тот, что ферментируется в организме животного мусанга. Этот попсовый способ подразумевает, что мусанги в Индонезии или на Филиппинах будут поедать кофейные фрукты в естественной среде, а в фекалиях вы найдете очищенные ферментированные зерна.

Вот только в дикой природе вы не соберете миллион зерен из фекалий мусангов, максимум на одну порцию эспрессо хватит. Большая часть производства этого кофе строится на насильственном вскармливании животных, которых держат в неволе. По вкусу получается невкусно, стоит от 10 000 рублей за килограмм, и не факт, что вам продают то, что указано на этикетке. Доказать, что именно это зерно вышло из мусанга, невозможно. Не будем вдаваться в подробности таких изощренных методов ферментации, тем более что есть такие же экс(к)(пе)рименты со слонами и некоторыми птицами.

Гораздо интереснее анаэробные ферментации с участием воды, где можно контролировать процесс, добавляя нужное количество дрожжей и бактерий. Ограниченный доступ кислорода замедляет выделение спиртовой кислотности. Та, что формируется, сразу растворяется в воде, это позволяет продлить ферментацию и лучше раскрыть потенциал зерна. Высококачественное зерно в последнее время часто ферментируют в абсолютно бескислородной среде. Если при аэробной ферментации процессы брожения запускаются моментально из-за наличия бактерий, дрожжей, влаги и сахаров, то в анаэробной зерна помещаются в бескислородную среду, где сразу образовывается СО2, дополнительное давление вынуждает соки и сахара попадать в зерна, формируя сложные вкусовые и ароматические соединения.

Обжарка

Кофе обжаривают в специальных ростерах с помощью разных видов теплопередачи. При одинаковом цвете обжарки вкус разного кофе будет отличаться. В процессе обжаривания происходит множество химических реакций, в результате которых формируются сложные летучие соединения, они и определяют вкусоароматическую палитру кофе.

Разные соединения образуются при разных температурах на разных стадиях обжарки. Управляя этими процессами, мы можем корректировать вкус кофе. Очевидно, что нельзя у кенийского кофе сформировать вкус зерен бразильского. Но именно мастерство обжарки позволяет подчеркивать сильные стороны зерна, скрывая слабые.

Как уже было сказано, химические реакции влияют на кофейное зерно по-разному. Какие-то сказываются на внешнем виде, некоторые напрямую взаимодействуют с внутренними компонентами зерна.

• Потеря сухой массы: 12–22%.
• Изменение размера: увеличение на 50–100%.

Ниже на рисунке можно проследить изменение базовых вкусов в процессе обжаривания:

Сладость сначала увеличивается, затем уменьшается (красная стрелка).
Кислотность сначала увеличивается, затем уменьшается (серая стрелка).
Горечь увеличивается (черная стрелка).

Кислоты — важный вкусовой параметр кофейного зерна. Пусть многие не ассоциируют кислотность с кофе, тем не менее именно ее наличие и развитие демонстрирует терруар плода. В кофе достаточно много кислот, и чем темнее мы обжариваем кофе, тем слабее чувствуются натуральные компоненты, сформировавшиеся в зерне во время произрастания. Зато начинают доминировать ноты, которые получили жизнь из-за нагрева и различных химических реакций. Ниже можно увидеть, как ведут себя кислоты при обжарке:

Наш организм лучше всего идентифицирует цитрусовую и яблочную кислоты, принимая их за кислотность. Именно их интенсивность снижается по мере обжаривания.

Обжарка — сложный технологичный процесс, на который влияет не только оборудование, но и мастерство обжарщика. При обжарке любого продукта должна быть выставлена конечная цель. Если надо раскрыть терруар кофе со всеми естественными компонентами кислотности и сладости, то обжарка будет светлой или средней. Для более насыщенного продукта, который должен ярче себя проявлять в молочных напитках, как правило, жарят чуть темнее, формируя больше горьких нот.

Зрелость кофейного фрукта, тип сбора, вид обработки, обжарка и еще миллион неотслеживаемых событий оказывают огромное влияние на вкусы и ароматы, которые как формируются, так и пропадают в ходе этих процессов.

Анаэробная ферментация

Этот тип ферментации используется при мытой обработке — он необходим для немеханического удаления муселяжа. После депульпации ягоды загружают в большие ферментационные танки и заливают водой, чтобы прервать контакт с кислородом. Там они могут провести от 12 часов до нескольких суток. Благодаря такой ферментации мусиляж разрушается под действием собственных ферментов, оставляя в зерне некоторые сложные ароматические соединения. Кроме того, изменяется кислотно-щелочной баланс зерна: увеличивается количество уксусной кислоты, которая придаёт зерну ароматную винную кислотность.

По сравнению с аэробной, при анаэробной ферментации больше факторов поддаётся контролю: температура и кислотно-щелочной баланс воды, содержание сахара, продолжительность ферментации. Открываются возможности для экспериментов: можно проводить ферментацию с углекислым газом, который замещает кислород, а также добавлять различные типы бактерий или дрожжей.

Этимология

Слово «фермент» происходит от латинского глагола пылко, что означает кипятить. Считается, что впервые он был использован в конце 14 века в алхимия, но только в широком смысле. В современном научном смысле он не использовался примерно до 1600 года.

Опухолевые клетки

Одним из отличительных признаков рака является нарушение метаболизма или нарушение регуляции клеточной энергетики. Раковые клетки часто перепрограммировали свой метаболизм глюкозы, чтобы выполнять ферментацию молочной кислоты в присутствии кислорода, вместо того, чтобы отправлять пируват, полученный путем гликолиза, в митохондрии. Это называется эффектом Варбурга и связано с высоким потреблением глюкозы и высокой скоростью гликолиза. Производство АТФ в этих раковых клетках часто происходит только в процессе гликолиза, а пируват разрушается в процессе ферментации в цитоплазме клетки.

Этот феномен часто рассматривается как противоречащий здравому смыслу, поскольку раковые клетки имеют более высокие потребности в энергии из-за продолжающейся пролиферации, а дыхание производит значительно больше АТФ, чем один гликолиз (ферментация не производит дополнительного АТФ). Как правило, происходит активация переносчиков глюкозы и ферментов в пути гликолиза (также наблюдается у дрожжей). Есть много параллельных аспектов аэробной ферментации в опухолевых клетках, которые также наблюдаются у дрожжей, положительных по Крэбтри. Дальнейшие исследования эволюции аэробной ферментации в дрожжах, таких как S. cerevisiae, могут быть полезной моделью для понимания аэробной ферментации в опухолевых клетках. Это может способствовать лучшему пониманию рака и методов лечения рака.

Аэробная ферментация в дрожжах

Аэробная ферментация развивалась независимо по крайней мере в трех линиях дрожжей (Sa ccharomyces, Dekkera, Schizosaccharomyces ). Это также наблюдалось в пыльце растений, трипаносоматидах, мутировавшей E. coli и опухолевых клетках. Крабтри-положительные дрожжи будут дышать при выращивании с очень низкой концентрацией глюкозы или при выращивании на большинстве других источников углеводов. Эффект Крэбтри – это регулирующая система, посредством которой дыхание подавляется ферментацией, за исключением условий с низким содержанием сахара. Когда Saccharomyces cerevisiae выращивается ниже порогового уровня сахара и подвергается дыхательному метаболизму, путь ферментации все еще полностью выражен, в то время как путь дыхания выражается только относительно доступности сахара. Это контрастирует с эффектом пастера, который представляет собой ингибирование ферментации в присутствии кислорода и наблюдается у большинства организмов.

Развитие аэробной ферментации, вероятно, включало несколько последовательных молекулярных стадий, которые включали распространение генов переносчиков гексозы, вариацию числа копий (CNV) и дифференциальную экспрессию в метаболических генах, а также регуляторное репрограммирование. Все еще необходимы исследования, чтобы полностью понять геномную основу этого сложного явления. Многие виды дрожжевых грибов с положительным эффектом ферментации используются в промышленных процессах производства вина, пива, саке, хлеба и биоэтанола. Благодаря одомашниванию эти виды дрожжей эволюционировали, часто в результате искусственного отбора, чтобы лучше соответствовать их среде обитания. Штаммы эволюционировали с помощью механизмов, которые включают межвидовую гибридизацию, горизонтальный перенос гена (HGT), дупликацию гена, псевдогенизацию и потерю гена.

Происхождение эффекта Крэбтри в дрожжах

Приблизительно 100 миллионов лет назад (млн лет назад) внутри линии дрожжей была дупликация всего генома (WGD). Большинство дрожжей, положительных по Crabtree, являются дрожжами после WGD. Считалось, что WGD является механизмом для развития эффекта Крэбтри у этих видов из-за дупликации генов, кодирующих алкогольдегидрогеназу (ADH), и переносчиков гексозы. Однако недавние данные показали, что аэробная ферментация возникла до WGD и развивалась как многоступенчатый процесс, которому потенциально способствовала WGD. Возникновение аэробной ферментации, или первая стадия, у дрожжей, положительных по Saccharomyces crabtree, вероятно, происходило в интервале между способностью расти в анаэробных условиях, горизонтальным переносом анаэробной ДГОДазы (кодируемой URA1 с бактериями) и потерей дыхательной цепи. Комплекс I. Более выраженный эффект Крэбтри, второй этап, вероятно, произошел во время события WGD. Более поздние эволюционные события, которые способствовали развитию аэробной ферментации, лучше поняты и описаны в разделе «Геномная основа» раздела «Эффект крабтри».

Движущие силы

Считается, что главной движущей силой возникновения аэробной ферментации было ее одновременное происхождение с современными фруктами (~ 125 млн лет назад). Эти фрукты служили изобилием простого источника сахара для микробных сообществ, включая дрожжи и бактерии. Бактерии в то время могли производить биомассу быстрее, чем дрожжи. Производство токсичного соединения, такого как этанол, может замедлить рост бактерий, позволяя дрожжам быть более конкурентоспособными. Однако дрожжам все же приходилось использовать часть потребляемого сахара для производства этанола. Крабтри-положительные дрожжи также имеют повышенный гликолитический поток или повышенное поглощение глюкозы и превращение в пируват, что компенсирует использование части глюкозы для производства этанола, а не биомассы. Поэтому считается, что изначальной движущей силой было убийство конкурентов. Это подтверждается исследованиями, которые определили кинетическое поведение предкового белка ADH, который, как было установлено, оптимизирован для производства этанола, а не его потребления.

Дальнейшие эволюционные события в развитии аэробной ферментации, вероятно, повысили эффективность этого образа жизни, включая повышенную толерантность к этанолу и подавление дыхательных путей. В среде с высоким содержанием сахара S. cerevisiae побеждает и доминирует над всеми другими видами дрожжей, за исключением своего ближайшего родственника Saccharomyces paradoxus. Способность S. cerevisiae доминировать в средах с высоким содержанием сахара появилась позже, чем аэробная ферментация, и зависит от типа среды с высоким содержанием сахара. Рост других дрожжей зависит от pH и питательных веществ среды с высоким содержанием сахара.

Геномная основа эффекта крабтри

Геномная основа эффекта крабтри все еще исследуется, и ее эволюция, вероятно, включала в себя несколько последовательных молекулярных шагов, которые повышали эффективность образа жизни.

Экспансия генов переносчиков гексозы

Транспортеры гексозы (HXT) – это группа белков, которые в значительной степени ответственны за поглощение глюкозы дрожжами. У S. cerevisiae было идентифицировано 20 генов HXT, 17 из которых кодируют переносчики глюкозы (HXT1-HXT17), GAL2 кодирует переносчик галактозы, а SNF3 и RGT2 кодируют сенсоры глюкозы. Количество сенсорных генов глюкозы остается в основном постоянным на протяжении линии почкующихся дрожжей, однако сенсоры глюкозы отсутствуют у Schizosaccharomyces pombe. Sch. pombe – это Crabtree-положительные дрожжи, которые развили аэробную ферментацию независимо от линии Saccharomyces и обнаруживают глюкозу через путь передачи сигналов цАМФ. Число генов-переносчиков значительно различается у разных видов дрожжей и постоянно увеличивается в ходе эволюции линии S. cerevisiae. Большинство генов-переносчиков были созданы путем тандемной дупликации, а не из WGD. Sch. pombe также имеет большое количество генов-переносчиков по сравнению с его близкими родственниками. Поглощение глюкозы, как полагают, является основным этапом, ограничивающим скорость гликолиза, и замена генов HXT1-17 S. cerevisiae одним химерным геном HXT приводит к снижению продукции этанола или полностью респираторному метаболизму. Таким образом, наличие эффективной системы поглощения глюкозы, по-видимому, имеет важное значение для способности аэробной ферментации. Существует значимая положительная корреляция между количеством генов-переносчиков гексозы и эффективностью производства этанола.

CNV в генах гликолиза

Схема превращения глюкозы в спирт путем спиртовой ферментации.

После WGD, одна из пар дублированных генов часто теряется в результате фракционирования; менее 10% пар генов WGD осталось в геноме S. cerevisiae. Немногим более половины пар генов WGD в реакционном пути гликолиза сохранялось у видов после WGD, что значительно выше, чем общая скорость удерживания. Это было связано с повышенной способностью превращать глюкозу в пируват или более высокой скоростью гликолиза. После гликолиза пируват может быть дополнительно расщеплен пируватдекарбоксилазой (Pdc) или пируватдегидрогеназой (Pdh). Кинетика ферментов такова, что при высоких концентрациях пирувата из-за высокой скорости гликолиза увеличивается поток через Pdc и, следовательно, путь ферментации. Считается, что WGD сыграла полезную роль в эволюции эффекта Крэбтри у видов, переживших WGD, частично из-за увеличения числа копий генов гликолиза.

CNV в генах ферментации

Реакция ферментации состоит всего из двух этапов. Пируват превращается в ацетальдегид с помощью Pdc, а затем ацетальдегид превращается в этанол с помощью алкогольдегидрогеназы (Adh). Не наблюдается значительного увеличения количества генов Pdc у Crabtree-позитивных видов по сравнению с Crabtree-негативными видами, а также отсутствует корреляция между количеством генов Pdc и эффективностью ферментации. У S. cerevisiae пять генов Adh. Adh1 – главный фермент, ответственный за катализатор стадии ферментации от ацетальдегида до этанола. Adh2 катализирует обратную реакцию, потребляя этанол и превращая его в ацетальдегид. Предшественник, или исходный, Adh имел функцию, аналогичную Adh1, и после дупликации в этом гене Adh2 развил более низкий K M для этанола. Считается, что Adh2 повышает толерантность видов дрожжей к этанолу и позволяет Crabtree-позитивным видам потреблять этанол, который они производят после истощения сахаров. Однако Adh2 и потребление этанола не являются существенными для аэробной ферментации. Sch. pombe и другие положительные виды Crabtree не имеют гена ADH2 и очень плохо потребляют этанол.

Дифференциальная экспрессия

У Crabtree-отрицательных видов гены, связанные с дыханием, высоко экспрессируются в присутствии кислорода. Однако, когда S. cerevisiae выращивают на глюкозе в аэробных условиях, экспрессия генов, связанных с дыханием, подавляется. Экспрессия митохондриальных рибосомных белков индуцируется только в условиях стресса окружающей среды, особенно при низкой доступности глюкозы. Гены, связанные с генерацией митохондриальной энергии и окислением фосфорилирования, которые участвуют в дыхании, имеют наибольшую разницу в экспрессии между видами аэробных ферментативных дрожжей и видами респираторных. В сравнительном анализе между Sch. pombe и S. cerevisiae, оба из которых независимо развили аэробную ферментацию, характер экспрессии этих двух ферментативных дрожжей был более похож друг на друга, чем у респираторных дрожжей, C. albicans. Однако S. cerevisiae эволюционно ближе к C. albicans. Регуляторная перестройка, вероятно, была важна в эволюции аэробной ферментации в обеих ветвях.

Одомашнивание и аэробная ферментация

Увеличенное изображение созревания винного винограда. Легкая белая «пыль» – это пленка, которая также содержит дикие дрожжи.

Аэробная ферментация также важна для многих отраслей промышленности, что приводит к одомашниванию человеком нескольких штаммов дрожжей. Пиво и другие алкогольные напитки на протяжении всей истории человечества играли значительную роль в обществе благодаря питьевым ритуалам, обеспечению питанием, лекарствами и незагрязненной водой. В процессе одомашнивания организмы переходят от более изменчивой и сложной естественной среды к простой и стабильной среде с постоянным субстратом. Это часто способствует адаптации одомашненных микробов к специализации, связанной с ослабленным отбором бесполезных генов в альтернативных метаболических стратегиях или патогенности. Одомашнивание может частично отвечать за признаки, способствующие аэробной ферментации у промышленных видов. Интрогрессия и ГПГ распространены у одомашненных штаммов Saccharomyces. Многие коммерческие винные штаммы имеют значительные участки ДНК, полученные из HGT видов, не относящихся к Saccharomyces. ГПГ и интрогрессия в природе встречаются реже, чем при одомашнивании. Например, важный промышленный штамм дрожжей Saccharomyces pastorianus представляет собой межвидовой гибрид S. cerevisiae и холодостойкого S. eubayanus. Этот гибрид обычно используется в пивоварении лагеров, которое требует медленной низкотемпературной ферментации.

Аэробная ферментация у других недрожжевых видов

Алкогольная ферментация часто используется растениями в анаэробных условиях для производить АТФ и регенерировать НАД, чтобы позволить гликолизу продолжаться. Для большинства тканей растений ферментация происходит только в анаэробных условиях, но есть несколько исключений. В пыльце кукурузы (Zea mays) и табака (Nicotiana tabacum Nicotiana plumbaginifolia) фермент ферментации ADH присутствует в большом количестве, независимо от уровня кислорода. В пыльце табака PDC также сильно экспрессируется в этой ткани, и на уровни транскриптов не влияет концентрация кислорода. Пыльца табака, как и дрожжи, положительные по Крэбтри, обеспечивает высокий уровень ферментации в зависимости от количества сахара, а не кислорода. В этих тканях дыхание и алкогольное брожение происходят одновременно с высокой доступностью сахара. Ферментация производит токсичный ацетальдегид и этанол, которые могут накапливаться в больших количествах во время развития пыльцы. Была высказана гипотеза, что ацетальдегид является фактором пыльцы, вызывающим цитоплазматическую мужскую стерильность. Цитоплазматическая мужская стерильность – это признак, наблюдаемый у кукурузы, табака и других растений, у которых отсутствует способность производить жизнеспособную пыльцу. Считается, что эта черта может быть связана с экспрессией генов ферментации, ADH и PDC, намного раньше в развитии пыльцы, чем обычно, и накоплением токсичного альдегида.

Трипаносоматиды

При выращивании в среде, богатой глюкозой, паразиты трипаносоматид разлагают глюкозу посредством аэробной ферментации. В этой группе это явление не является преадаптацией к / или остатком анаэробной жизни, проявляющейся в их неспособности выжить в анаэробных условиях. Считается, что это явление возникло из-за способности к высокому гликолитическому потоку и высокой концентрации глюкозы в их естественной среде. Механизм подавления дыхания в этих условиях пока не известен.

Coli мутант

Пару мутантных штаммов Escherichia coli были сконструированы методом биоинженерии для ферментации глюкозы в аэробных условиях. Одна группа разработала штамм ECOM3 (мутант цитохромоксидазы E. coli), удалив три концевых цитохромоксидазы (cydAB, cyoABCD и cbdAB) для уменьшения поглощения кислорода. После 60 дней адаптивной эволюции на среде с глюкозой штамм показал смешанный фенотип. В аэробных условиях ферментация у одних популяций вырабатывала только лактат, в то время как у других производилась ферментация смешанной кислоты.

Myc и HIF-1 регулируют метаболизм глюкозы и стимулируют эффект Варбурга.