Ускорение процесса спиртового брожения

Стопарик

07 февраля 2017

Ускорение процесса спиртового брожения

Достичь ускорения процесса спиртового брожения можно за счет использования дрожжевых лизатов. Такой способ нашёл широкое применение в производстве спирта. Достаточно сказать, что уже до 30% послеспиртовой барды, содержащей дрожжевые лизаты, возвращается в процесс разваривания.

Дрожжевые лизаты получаются в результате разрушения клеточной стенки дрожжей, при этом освобождаются внутриклеточные ферменты, усиливается их контакт с внешней средой, интенсифицируются все биохимические процессы созревания, сокращается период созревания.

Например, при посеве из 20 клеток на 1 мл при использовании аспарагина в качестве источника азота были получены 536 дрожжевых клеток, при использовании пептона - 704 клетки, а при использовании дрожжевого отвара - 1529 клеток, в то время как во всех опытах на 1 мл питательной среды приходилось примерно 9 мг азота.
Таким образом, дополнительно к ферментам, использующимся при осахаривании замеса, можно получить и использовать для ускорения процесса брожения собственные внутриклеточные ферменты, содержащиеся в отработавших дрожжевых клетках, поступающих вместе с бражкой из бродильной батареи на дистилляционную / ректификационную установку.

1. УГЛЕВОДНЫЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ
Потребление углеводов клеткой дрожжей
Дрожжи как основной компонент брожения определяют его течение. Для дрожжей характерно последовательное потребление и сбраживание углеводов муки.
Первыми усваиваются те сахара, которые обеспечивают максимальную скорость роста дрожжей: глюкоза>сахароза>фруктоза>мальтоза>мелитриоза.
Так, глюкоза, фруктоза и сахароза (при условии, что они находятся в низких концентрациях) полностью усваиваются за 24 ч, мальтоза - за 70-72 ч, мелитриоза - более 72 ч.

Практическая значимость такого порядка усвоения углеводов клеткой:
1. Если засевные дрожжи используют в оптимальном физиологическом состоянии, то при внесении в сусло они готовы утилизировать все сбраживаемые сахара немедленно. Но все равно скорость потребления мальтозы+мальтотриозы снизится и такой останется, пока концентрация глюкозы не достигнет 0,4%.
Особенно это ярко выражено при добавлении в сусло глюкозных (пиво) или сахарных сиропов, инвертных сиропов. Или при длительном наполнении ЦКТ суслом при постоянной подаче глюкозы и фруктозы и дифференцированной дозировке дрожжей.
2. Если засевные дрожжи хранят в течение длительного времени в отсутствии индуцибельной концентрации мальтозы или в условиях ограниченного синтеза белка (например, отсутствует ассимилируемый азот), то у них перестает образовываться фермент мальтопермеаза. Тогда при использовании таких дрожжей удлиняется период брожения на время, необходимое клетке для синтеза необходимых ферментов.
Однако такие условия хранения не играют роли для штаммов, у которых отстает глюкозная репрессия (пивная раса 11).
3. Сильнофлокулирующие дрожжи сбраживают мелитриозу слабее, чем слабофлокулирующие.
4. Только для пивоварения: если использовать штаммы, легко сбраживающие мелитриозу, то можно получить пиво с меньшим содержанием экстракта. Если использовать штаммы, не сбраживающие мелитриозу, то можно получить пиво, богатое трисахаридами, т.е. с более полным вкусом.
5. Только для спиртового производства: дрожжи, легко сбраживающие мелитриозу, производят больше спирта.

Практическое значение спиртового брожения:
1. Сушеные дрожжи (пивные и винные) обнаруживают дополнительную форму брожения: глюкоза > ПВК + глицерин. Это происходит, если в среду добавить бисульфит Na.
2. Если создать щелочную рН (т.е. выше нормы 3-6), то будут образовываться уксусная кислота и этанол.

Практическое значение дыхания:
1. При дыхании дрожжи потребляет меньше субстрата, но при этом образуется больше биомассы.
2. Процесс дыхания выгоден и используется в основном для дрожжевого производства.

Синтез углеводов в клетке.
ТРЕГАЛОЗА
Она располагается в цитоплазме, частично связанна с клеточной стенкой. В бродящих дрожжах ее содержится около 6%, в дышащих до 18%.
Роль трегалозы:
1. Поддержание структуры цитозоля;
2. Осмотический барьер;
3. Защита клеточной стенки от внешнего воздействия;
4. В лаг-фазе повышает устойчивость клетки к стрессам. Даже при наличии в среде всех необходимых субстратов первой клетка расходует свою накопленную трегалозу (первые 45 мин), только потом усваивается глюкоза из среды;
5. Отвечает за ксерорезистентность клетки (хлебопекарные, пивные, винные дрожжи).

ГЛИКОГЕН
Гликоген находится в виде скоплений в цитоплазме, вакуолях.
0,25% потребленной мальтозы дрожжи запасают в виде гликогена, остальная часть гликогена образуется в результате всего обмена веществ.
Часть накопленного гликогена тратится перед началом брожения (при адаптации), затем его количество снижается в первые 10-12 часов, и потом вновь возрастает, пока его количество не будет составлять до 30% от массы клетки.
Также он тратится клеткой при хранении дрожжей, особенно при длительном хранении и высокой температуре хранения.

Практическое значение:
Дрожжи лучше хранить недолгое время при низкой температуре, иначе количество гликогена в них понизится. А чем меньше в засевных дрожжах гликогена, тем хуже они адаптируются, у них меньше выход биомассы, в среде образуется при брожении много диацетила, уксусного альдегида, SO2.

2. АЗОТНЫЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ
От азотного обмена зависит построение компонентов клетки дрожжей и образование в готовом продукте ароматических веществ.

Потребление источников азота клеткой дрожжей
В качестве источников N дрожжи используют аммиак, соли аммония, мочевину, аминокислоты, амиды, пептиды, пуриновые и пиримидиновые основания. Азотсодержащие вещества потребляются клеткой в процессе брожения и роста. Более быстрый рост дрожжей наблюдается в среде «соли аммония+аминокислоты», чем только аминокислоты или только аммоний. Но аминокислоты нужнее клетке, т.к. используются для синтеза других аминокислот и белков клетки.
Аминокислоты усваиваются в определенной последовательности в зависимости от наличия специфических пермеаз. По скорости усвоения они делятся на 4 группы:

Быстроабсорбирующиеся (в первые 20 ч брожения): глутаминовая и аспарагиновая кислоты, аспарагин, глутамин, серин, треонин, лизин, аргинин.
Средний уровень абсорбции (в процессе всего брожения): валин, метионин, лейцин, изолейцин, гистидин.
Низкий уровень абсорбции: глицин, фенилаланин, тирозин, триптофан, аланин.
Совсем мало абсорбируются: пролин (причем его много в пивном сусле).

Наиболее полно используются метионин, серин, глутаминовая кислота, цистеин, лизин, гистидин.
Если в среде нет разветвленных аминокислот и клетка вынуждена синтезировать их самостоятельно, то это приводит к накоплению диацетила и 2,3-пентадиона.

Превращения азотсодержащих веществ в клетке дрожжей.
Для роста (дыхания) содержание аминокислот должно быть не более 100 мг/л; для брожения - 150-200 мг/л.
В клетке система трансаминаз удаляет из молекулы аминокислоты NH2, а углеродный остаток направляется в оксокислотный пул (кетокислотный). Кроме них, в этом пуле есть уже синтезированные дрожжами углеродные цепочки; аминокислоты; нуклеотиды, NH2. Это резерв клетки. Отсюда новые аминокислоты идут на синтез белка в рибосомы. Если в среде нет азота, то новые аминокислоты черпаются из пула. Задача нормального питания - поддерживать этот резерв. Полная смесь аминокислот восстанавливает пул целиком, а аммоний + отдельные аминокислоты - частично.
Если в среде отсутствуют необходимые аминокислоты, то часть имеющихся дезаминируется/трансаминируется. Образующийся при этом NH4 используется для синтеза недостающих аминокислот. Оба процесса идут медленнее, чем прямое потребление аминокислот.

Практическое значение потребления и превращения азотсодержащих веществ:
1. Сложная смесь аминокислот + аммоний обеспечивает более быстрый рост, чем только аммоний, или только одни аминокислоты (сложная/простая смесь).
2. Рост дрожжей задерживается тем сильнее, чем больше необходимых аминокислот отсутствует в среде.
3. Если используется несоложеное сырье, оно требует контроля в содержании N-вв и особенного отношения (например, увеличения продолжительности белковой паузы).
4. Если в среде нет разветвленных аминокислот, это отрицательно повлияет на органолептику конечного продукта.

Выделение азотистых веществ из клетки дрожжей
Приблизительно 40% абсорбированного азота выделяется дрожжами при дображивании. При неблагоприятных условиях этот процесс может дать дрожжевой привкус и помутнение продукта.

Аминокислоты разделяются по скорости выделения:

Невысокая скорость: лизин, глутаминовая кислота, аргинин, метионин.
Скорость выше в 1,5-3 раза: глицин, гистидин, лейцин, аланин, изолейцин.
Низкая скорость: валин, тирозин, фенилаланин, триптофан.

Пептиды выделяются на 2 сутки брожения (15-30 мг/л). Они влияют на пеностойкость пива.
Дрожжи в водной суспензии постепенно выделяют аминокислоты, нуклеотиды и др. Дрожжи в глюкозных сиропах выделяют аминокислоты, затем вновь их сорбируют за 2 ч = «шоковая экскреция» (при этом изменяются мембраны, и клетка стареет). «Шоковой экскреции» не наблюдается, если используются мальтозные сиропы.
В оксокислотном пуле скапливаются предшественники альдегидов и высших спиртов, которые также выделяются и определяют аромат готового продукта. Высшие спирты также регулируют биосинтез разветвленных аминокислот.

Практическое значение выделения азотсодержащих веществ:
1. В среде не должно быть аминокислот больше, чем дрожжи могут усвоить.
2. Длительная выдержка на дрожжах (например, при автолизе дрожжей) либо обогащает продукт полезными веществами (аромат, букет), либо может дать неприятный привкус или вызвать помутнение.
3. «Шоковая экскреция» замедляет брожение, особенно если зрелые маточные дрожжи получены после сбраживания сусла с большим количеством глюкозы. Кроме того, такое длительное брожение может вызвать выделение веществ, которые могут способствовать росту микроорганизмов-вредителей.

3. ЖИРОВОЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ
Функции: энергетическая, защитная, структурная (компоненты мембран, цитоплазматической мембраны).
Делятся на триглицериды, фосфолипиды, стеролы (эргостерин + 90% стерина).

Потребление жиров и их составляющих
Дрожжи потребляют насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, глицерин, стерины, но могут синтезировать их самостоятельно из этанола, углеводов и продуктов их распада.

Синтез жиров в клетке снижается при:

недостатке кислорода;
сбраживании высокоплотного сусла;
большом количестве азота в среде.

Синтез жиров в клетке усиливается при:

большом количестве глюкозы и мелитриозы;
концентрации этанола 1%;
наличии органических кислот, которые способствуют этому в следующем порядке: ПВК>янтарная>молочная>уксусная>яблочная.

Практическая значимость:
1. Чем достаточнее в сусле ненасыщенных жирных кислот, тем меньше образуется диацетила. Чем меньше жирных кислот (например, в несоложеном сырье), тем меньше скорость потребления аминокислот. Тогда наблюдается самостоятельный синтез аминокислот, что сопровождается образованием побочных продуктов.
2. Т.к. они связаны с клеточной мембраной, то напрямую отрицательно влиять на готовый продукт могут только при автолизе клеток (капроновая, каприловая - придают «козлиный запах»).
3. При длительных анаэробных условиях из дрожжей выходят капроновая и каприловая кислоты, что снижает вкус и пеностойкость. Вышедшие кислоты участвуют в реакциях этерификации в продукте.
4. Дрожжи, содержащие много стеринов, могут долго расти и размножаться в анаэробных условиях.

4. МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН ДРОЖЖЕЙ.
Минеральные вещества необходимы при брожении. Одни играют структурную роль, другие нужны для ферментативных реакций.
Минеральный состав влияет на распределение электронных зарядов на поверхности клеток микроорганизмов. Обычно клетки имеют отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (-16-20 Мв). Добавление минеральных веществ снижает ОВП клеток, это изменяет их физиологическую активность, воздействует на селективность клеточных мембран, вызывает флокуляцию или дефлокуляцию клеток.

Дрожжам особенно необходимы: P, S, Mg, Co, Zn, Mn, Ni, Ca, Sr.
ФОСФОР (P)
Ассимилируется в виде дигидрофосфат-иона H2PO4.
Значение: необходим для синтеза АТФ, создания цитоплазматической мембраны, поддержания буферности (против сдвига рН). При его нехватке: плохое брожение, отсутствие роста клетки.
СЕРА (S)
Ассимилируется в виде витаминов (биотин, тиамин), сульфат-ионов и из S-содержащих аминокислот. Для успешного брожения дрожжам необходимо серы 40-50 мг/л.
Значение: в клетке S в виде SO2 участвует в синтезе аминокислот; входит в состав коэнзима А; липоевой кислоты; тиаминпирофосфата (ТПФ), глютатиона. Глютатион как питательное вещество содержит 20% S клетки. Его образование увеличивается при избытке сульфатов.
SO2 после прекращения роста клетки выделяется во внешнюю среду. Этот процесс усиливается при: недостаточной аэрации; редком доливе; длительном дображивании; понижении содержания гликогена; высокой температуре. Выделившийся SO2 (в виде сульфита) связывается с уксусным альдегидом, препятствуя старению продукта; следовательно, повышает вкусовую стабильность.

МЕТАЛЛЫ
Во время брожения наиболее важны Mg, Zn, K, Co. Оптимальные концентрации Zn и Mn, Ca и Hg взаимосвязаны. Они присутствуют в сусле в нескольких формах, но лишь некоторые из них биодоступны, т.е. доступны дрожжевой клетке.

МАГНИЙ (Mg)
Требуется в небольших количествах: минимум 42 мг/л; при 25 г/л является ингибитором роста.
Магний играет большую роль в метаболизме и не может быть заменен другими ионами. Он регулирует гликолиз (т.к. входит в состав ферментов); повышает устойчивость дрожжей к спирту; защищает клетки в условиях стресса (температурного или осмотического); включается в мембранную стабилизацию нуклеиновых кислот, рибосом, жиров, полисахаридов; стимулирует сбраживание плотного сусла; входит в состав рибосом; нейтрализует электростатические силы из полифосфатов, нуклеиновых кислот, белков; участвует в росте и делении.

КАЛЬЦИЙ (Ca)
Замедляет дегенерацию дрожжей, способствует хлопьеобразованию. Недостаток Са компенсируется Mg или Mn.
Высокое соотношение Mg и Са: увеличивает начальную скорость брожения; увеличивает количество спирта; увеличивает жизнеспособность дрожжей к концу брожения.
Высокое соотношение Са и Mg: увеличивает период осаждения дрожжей из-за замедления потребления мальтозы и мелитриозы.

ЦИНК (Zn)
Участвует в углеводном, белковом, фосфолипидном обменах.
Для брожения его необходимо 1-2 мг/л (0,1-0,15 мг/л по Кунце). Другие ионы не могут заменить его.

МАРГАНЕЦ (Mn)
Регулятор некоторых ключевых ферментов, необходим при дыхании и почковании.

КАЛИЙ (К)
Необходим при углеводном обмене, особенно при их усвоении, т.к. входит в состав ионного насоса и отвечает за регулировку рН.

Вернуться к новостям