المحاضرة الثانية الخمائر Yeasts جاءت تسمية الخميرة من الكلمة اإلنكليزية القديمة Gyot والتي تعني Boil أو الغليان أو الفقاعات الناتجة من عملية الغليان. والخميرة استخدمت منذ القدم في صناعة الخبز وإنتاج النبيذ كما تشير الد ارسات األثرية للمصريين القدماء. وقد كان العالم ليفنهوك أول من الحظ الخميرة وذلك عام 1680 وذلك باستخدام المجهر تاله العالم الفرنسي باستور الذي برهن أن عملية التخمير الكحولي من إنتاج الخميرة وكان ذلك عام 1857. تعرف الخمائر على أنها كائنات مجهرية أحادية الخلية حقيقية النواة تنتمي إلى الفطريات نوع Ascosporidae وهي تتكاثر عبر عملية التبرعم وهي إجماال أكبر حجما من البكتريا. وتعد الخمائر إحدى شبع مملكة الفطريات. تمتاز الخمائر بأن حجمها ال يزيد عن حجم البكتريا ولكن معظمها أكبر بمقدار 24-4 مرة من البكتريا إذ يت اروح قطر خالياها بين 10-7 ميكرون وتقريبا يكون الشكل الظاهري لخاليا النوع الواحد من الخمائر ثابت تقريبا. تتميز الخمائر عن الفطريات أنها ال تكون خيوطا )مايسيليوم( إال في حاالت خاصة. تنتشر الخمائر على نحو واسع في الطبيعة حيث توجد في أماكن عديدة مختلفة لكنها أقل إنتشا ار فهي توجد على األو ارق واألزهار والفواكه والحبوب والفطريات المأكولة مثل عش الغ ارب وفي الطبقات العليا من تربة بساتين الفواكه. 1
مالحظات حول الخمائر: 1- خاليا الخمائر ال تمتلك الكلوروفيل وبالتالي ال يمكنها تصنيع غذائها بنفسها. 2- على الرغم من أن الخمائر تعود إلى مملكة الفطريات إال أنها ال تمتلك غزال فطريا )المايسيليوم( 3- بالرغم أن تجمعات خاليا الخمائر تظهر بشكل سالسل إال أنها تعتبر كائنات وحيدة الخلية 4- تستمد الخمائر طاقتها من تحليل السكريات الموجودة في بيئتها في ظروف هوائية أو الهوائية. 5- تلعب الخمائر دو ار مهما في الصناعات الغذائية وإنتاج العالف واالنزيمات كما أن لها دو ار في عمليات تلف األغذية خصوصا األغذية التي ترتفع فيها نسبة السكريات مثل المربيات والدبس والعسل والش اربت. كما تلعب الخمائر جدو ار أساسيا في انتاج المشروبات الكحولية والمخلالت. تنتشر الخمائر على نحو واسع في الطبيعة إذ توجد في أماكن عديدة مختلفة ولكنها رغم ذلك تبقى أقل إنتشا ار من البكتريا واألعفان. حيث تنتشر في تربة بساتين الفواكه وعلى الفواكه والخض اروات والحبوب. خصائص الخمائر: الخصائص الظاهرية: تظهر الخمائر تحت المجهر بأشكال مختلفة تت اروح بين الشكل الكروي والكمثري والبيضوي وأحيانا تكون بشكل أنبوبي. ويت اروح حجم خلية الخميرة بين 4-3 مليمايكرون قط ار والبعض منها قد تصل إلى 40 مليمايكرون. واألهم في هذه الخصائص هو امتالك الخميرة للجدار الخارجي والغشاء السايتوبالزمي وهي بذلك تتشابه مع بناء الخلية النباتية من حيث امتالكها للجدار كما يمكن مالحظة بعض الت اركيب الخلوية سابحة في السايتوبالزم مثل القط ارت المائية والزيتية وبعض الحبيبات الملونة. ويبقى اهم ما يميز خلية الخميرة امتالكها لنواة حقيقة. تتكاثر الخمائر ال جنسيا بواسطة التبرعم حيث ينشأ نتوء صغير من أحد جوانب جدار الخلية ما يلبث أن يأخذ بالكبر والبروز بعدها ينفصل البرعم عن الخلية األم عند اكتمال بناء الجدار الخلوي لهذا البرعم وفي النهاية قد ينفصل هذا البرعم عن الخلية األم أو يبقى مرتبطا معها مكونا سالسل من الخاليا قد تطول أو تقصر. وفي أحيان اخرى قد تتكاثر الخمائر بواسطة االنشطار وذلك بانقسام الخلية الواحدة إلى خليتين. وقد يحدث أن تتكاثر الخمائر بشكل جنسي بواسطة -1 2
التحام خليتين أحداهما يحمل الكاميت الذكري واالخرى تحمل الكاميت االنثوي حيث يتكون نتيجة هذا االلتحام ما بين 4-1 سبو ارت تسمى Ascospores وذلك بداخل كيس يعرف باسم Ascus الخصائص التنموية التغذوية: يصعب على البعض التفريق بين مستعم ارت الخمائر والبكتريا المنماة على األطباق الزرعية فاالثنتين تظهر متشابهة عند النظر اليها. ولكن باإلمكان تمييز مستعم ارت الخمائر الفتية بمظهرها الرطب واللزج ولونها األبيض أو الحليبي أو الوردي. كما يمكن أن نميز نمو الخمائر على الغذاء عن طريق قدرتها على تكوين غشاء على سطح الغذاء وهذا ما يحدث نتيجة نمو الخمائر المؤكسدة حيث يظهر غشاء أبيض خفيف فوق الغذاء. ويبقى الفحص المجهري باستخدام المجهر الضوئي هو الحد الفاصل في التفريق بين الخمائر عن البكتريا. حيث تظهر الخميرة بشكل أكبر بكثير من الخلية البكتيرية عالوة على ذلك يمكن مالحظة وجود الكاروتينات في خاليا الخمائر. وعند فحص الخميرة تحت المجهر يمكن مالحظة واحدة أو أكثر من الفجوات داخل الخلية كما أن الخميرة تمتلك نواة حقيقية يمكن مالحظتها بشكل واضح جدا بالفحص المجهري. عالوة على امتالك خاليا الخميرة على غالف مزدوج والذي يكون فيه بداية نمو الب ارعم وتكوينها. من الصعب جدا تمييز مستعم ارت الخمائر عن مستعم ارت البكتريا في اطباق الزرع ولذلك دائما يتم االعتماد على الفحوصات المجهرية للتفريق بين الكائنين. إذ أن معظم مستعم ارت الخميرة اليافعة تكون رطبة ولكنها تبدو سهلة التفتت ومائلة ولزجة وذات لون أبيض وأحيانا قد تكون بلون أصفر أو وردي. الخمائر في نموها أما أن تكون. م خ م رة وتسمى أيضا الخمائر الحقيقية Yeasts( )True وتتميز بأن يكون نموها في قعر السائل أو داخل البيئة الغذائية الصلبة وتتميز بقدرتها على إنتاج ثاني أوكسيد الكاربون والكحول االثيلي وتظهر أهميتها في صناعة الخبر والمعجنات وإنتاج البيرة والمشروبات الكحولية. أو قد تكون خمائر م ؤكس دة وتسمى الخمائر الكاذبة ( Yeasts ) False حيث تنمو بشكل غشاء رقيق على سطح السائل وبالتالي تسمى بالخمائر السطحية أو الغشائية وهي في الغالب تعمل على أكسدة المواد السكرية الموجودة في الغذاء منتجة الغاز ومسببة في تغيير الطعم وال ارئحة وأحيانا قد تجمع الخمائر بين نمطي المعيشة بحسب الظروف التنموية المحيطة بها. -2 الخصائص الفسيولوجية: بصورة عامه تحتاج الخمائر خالل نموها وتكاثرها إلى نسبة رطوبة أعلى مما -3 تحتاجه األعفان وأقل مما تحتاجه البكتريا إذ تتطلب نشاطا مائيا يت اروح بين %0.94-0.88. بينما تتطلب الخمائر المحبة للتركيز السكري العالي نشاطا مائيا بمقدار %0.65-0.62. ويمكن أن الخمائر اعتبار من الكائنات التي تفضل درجة ح اررة معتدلة في نموها تت اروح بين 30_25 م فعند هذه الح اررة تنمو الخاليا بشكل جيد جدا في حين تعتبر 26-25 م هي أفضل درجة ح اررة لعمليات التخمير باستخدام الخمائر. وقد وجد ان الخمائر لها مدى ح ارري للنمو يمتد بين 37-10 م وأن حيويتها ونشاطها ينخفضان بشكل 3
م كبير عند 10-0.وقد أشارت العديد من الد ارسات والبحوث إلى أن معظم الخمائر تموت عند ح اررة 50 م. وتتباين احتياجات الخمائر لألوكسجين تبعا للهدف و لطبيعة نموها في الوسط وعلى العموم يمكن القول أن الخميرة بإمكانها النمو بشكل بطيء جدا في الظروف الالهوائية أي بمعزل عن األوكسجين وعنها يحدث ما يعرف بعمليات التخمر) Fermentation ) وهنا ال يحدث كبيرة في أعداد الخاليا ولكن تبقى النشاطات الحيوية للخلية قائمة وهذا ما يالحظ في صناعة المشروبات الكحولية والخطوات األولى في انتاج الخل حيث تبقى الخاليا تؤدي فعالياتها الحيوية ولكن دون زيادة كبيرة في أعدادها. في حين عند تنمية الخميرة بشكل هوائي نجد حدوث زيادة كبيرة جدا في أعداد الخاليا الحية. لذلك عندما ير اد تخمير العجين خالل م ارحل إنتاج الخبز والمعجنات أو إنتاج الكحول والخل فان التنمية تكون في ظروف الهوائية ألننا ال نحتاج إلى زيادة عددية ولكن نحتاج إلى النشاط الكيميوحيوي لهذه الخاليا. أما في حال أريد إنتاج Singleأو cell Protein إنتاج خميرة الخبز لغرض التسويق والبيع ألن االنتاج يتم في ظروف هوائية ألن المطلوب هو زيادة أعداد الخاليا الحية. تفضل الخمائر النمو في أوساط ذات حموضة منخفضة ولكن هناك أجناس من الخمائر يمكنها النمو في بيئة ذات ph 4.5 يمكن القول إن الخمائر في تغذيتها تكون من نوع Chemoorganotrophic أي أنها تستخدم المركبات العضوية كمصدر للطاقة وال تستخدم الشمس اذ أنهات تعتمد على السكريات الموجودة في البيئة كمصدر للطاقة وتستخدم المواد النيتروجينية المعقدة والبسيطة كمصدر للنيتروجين العضوي الالزم لبناء الخلية. كما تحتاج الخمائر إلى العديد من العناصر المعدنية كالفسفور والمغنيسيوم وتحتاج إلى الفيتامينات وخصوصا البايوتين. تكاثر الخمائر: 1- التكاثر الالجنسي: تتكاثر معظم أنواع الخمائر بطريقة ال جنسية بأساليب مختلفة أ- التبرعم: وهو إما أن يكون قطبي أي من جهة واحدة وإما أن يكون متعدد الجوانب وهي الطريقة األكثر شيوعا. في هذا اإلنقسام يبرز نتوء من الخلية األم يحتوي على البروتوبالزم الخلوي ثم يكبر هذا النتوء ويبدأ إحاطته بغالف وتنقسم المادة النووية في الخلية بعدها يتخصر الغالف من جهة الخلية األم ليفصلها عن الخلية المتكونة حديثا. 4
ب-اإلنقسام الثنائي البسيط: وهذا يشبه اإلنقسام الثنائي في البكتريا حيث تستطيل خاليا الخميرة ثم يتبع ذلك إنقسام المادة النووية ثم تنقسم الخلية إلى خليتين. 5
ت-تكوين السبو ارت الكالميدية: وهذا يحدث في الخاليا كبيرة العمر أو القديمة حيث تصبح جد ارن هذه الخاليا سميكة وتمتلئ الخلية بالغذاء وتبقى في طور السكون حتى تتوفر البيئة المناسبة لنموها. ث- تكوين السبو ارت المتبرعمة: بعض الخمائر لها القدرة على تكوين مايسليوم بيضاوية أو كروية في نهايات الهيفا شبيهة التبرعم. أما الطريقة األخرى في التكاثر فهي التكاثر الجنسي وهذا يحدث في الخمائر الحقيقية الفطريات يسمى ما )أو الزقية )Ascomycota وينتج عنه سبو ارت داخلية حيث تلعب خلية الخميرة نفسها دور الكيس الذي يحتوي هذه السبو ارت. وقد تختلف السبو ارت المتكونة من هذا االقت ارن في العدد داخل الخلية أو الشكل أو اللون بناء على نوع الخلية فقد تكون السبو ارت بشكل مستديرة أو بيضوية أو كلوية أو منجلية الشكل أو على شكل قبعة أو نصف كروية أو مضلعة أو مغزلية. عالقة الخمائر بالغذاء: للخمائر استعماالت متعددة في غذاء اإلنسان والحيوان حيث يستخدم قسم منها في عمليات إنضاج السطحي ألنواع من األجبان كما أن لها دور رئيسي في عمليات صناعة الخل خصوصا الم ارحل األولى من العملية هذا عالوة على دورها في تخمر العجين وإنتاج الخبز والمعجنات. عالوة على ذلك يمكن تنمية الخمائر للحصول على أنواع من األنزيمات مثل األميليز. كما تستخدم الخمائر في إنتاج البروتين الذي يستخدم في تغذية الدواجن والمجت ارت. وللخمائر دور مضر في الغذاء حيث تكون مسؤولة عن تلف العديد من األغذية مثل الخض اروات والفواكه وعصيرها والمحاليل السكرية والعسل والموالس كما أنا تساهم أحيانا في تلف اللحوم بنوعيها. إذ تنمو الخمائر المؤكسدة كطبقة رقيقة على أسطح الغذاء مثل المخالت والمحاليل السكرية وأحيانا قد يسبب أنواع منها مثل جنس Rhodotorula إلنتاج بقع ذات صبغات كاروتينية في الغذاء. 6
بعض الخمائر المهمة في التصنيع الغذائي: -1 الجنس :Saccharomyces خاليا هذا الجنس كروية الشكل أو بيضاوية أو أسطوانية. تكاثرها الالجنسي يكون بالتبرعم متعدد الجوانب أما تكاثرها الجنسي فيحدث عن طريق السبو ارت الزقية حيث يحتوي الكيس الزقي على أربعة سبو ارت. وهي مخمرة ومؤكسدة أي أن لها القدرة على إحداث األكسدة للسكريات عند معيشتها في الظروف الهوائية على أعلى الغذاء مكونة أغشية رقيقة وهي لها القدرة على تخمير السكريات وإنتاج الكهول االثيلي وكميات من غاز ثاني أوكسيد الكاربون عند معيشتها في بيئة الهوائية. أهم أنواع هذه الخمائر هي خميرة المستخدمة في تخمير العجين وصناعة الخبز كما أن قسم من Saccharomyces cerevisiae السالالت تستخدم في إنتاج المشروبات الكحولية والكحول الصناعي. -2 الجنس :Zygosacchromyces تتكاثر أنواع هذا الجنس بالتبرعم المتعدد الجوانب والسبو ارت المتكونة في تكاثرها الجنسي تشبه حبة الفاصوليا. تشتهر أنواع هذا الجنس بقدرتها على مقاومة الت اركيز السكرية العالية ولذلك يعود لها سبب تلف العسل والمحاليل السكرية المركزة والموالس كما تسبب المشاكل في صناعة المشروبات الكحولية وتخمير صلصة الصويا. يعد النوع Zygosacchromycesمن rouxii أشهر األنواع التابعة لهذا الجنس والذي يتمكن من النمو في وسط ذي نشاط مائي منخفض جدا 0.62 7
Colonies of Zygosacchromyces growing on media in the lab (left). Cells of this yeast viewed under the.microscope at 1000 times magnification (right) -3 الجنس Debaryomyces خاليا هذا الجنس ذات بشكل كروي أو بيضوي والتكاثر ال جنسيا تكون بالتبرعم من جميع الجهات. بعض أنواع هذا الجنس تكون مؤكسدة فقط والبعض اآلخر تكون مؤكسدة ومخمرة. لها القدرة في تحمل المحاليل الملحية العالية أ ثناء نموها على شكل غالف أو أغشية على سطح المحاليل الملحية للحوم والمخلالت مسببة تلفها يعد نوع Debaryomyces kloeckeri من أهم األنواع التابعة لهذا الجنس والذي عزل أول مرة من الجبن والصوصج وكذلك Debaryomyces hansenii وهو من أكثر الخمائر انتشا ار في األغذية وقد تم عزله من الجبن وأهم ما يميز هذا النوع من الخمائر قدرته على النمو في محاليل ملحية قد تصل إلى %24 ويعد من أهم أسباب تلف اللبن المتخمر والصوصج. 8
-4 الجنس Candida من أكثر الخمائر انتشا ار في األغذية يت اروح شكل خالياه بين الكروية واألسطوانية وهو يتكاثر بالتبرعم من عدة جوانب. أنواع هذا الجنس لها القدرة على إحداث التلف في األغذية الحاوية على نسبة عالية من األمالح وأهم األنواع التابعة لهذا الجنس هي Candida tropicalis و.C lipolytica var. lipolytica والذي تم عزله من الزبد والسمن النباتي وله القدرة على تحليل السكريات والدهون. وهناك النوع.C pseudotropicalis والذي يلعب دو ار في إنضاج أنواع من األجبان الطرية عالوة على استخدامه كخميرة للتغذية. -5 الجنس Rhodotorula من الخمائر البازيدية وخالياه كروية أو هاللية أو أسطوانية وهو يتكاثر بالتبرعم المتعدد الجوانب وبعض أنواعه يكون كبسولة لزجة وجميع أنواعه من النوع المؤكسد فقط. له القدرة على إنتاج الصبغة الحم ارء أو البرتقالية أو الصف ارء وهو يسبب تلون أسطح اللحوم والزبد والمحلالت كما أن له الدور في تلف لحوم الدواجن والسمك والجمبري وجبن التشدر. أحيانا تستعمل أنواع منه في تصنيع أنواع من األغذية اآلسيوية المتخمرة وإنتاج الكتلة الحيوية. 9
-6 الجنس Cryptococcus من الخمائر البازيدية يتكاثر بالب ارعم من جوانب متعددة ويمكن أن يكون ما يعرف بالسبو ارت المفصلية. أنواع هذا الجنس التخمر السكريات ويمكن تواجدها على النباتات وبعض الثمار وقد تم عزلها من األسماك والجمبري ومن اللحم المثروم والنوع C.laurentii له دور في تلف الدواجن المجمدة 10