Ж.К. НАДИРОВА

Пищевая биотехнология

Шымкент, 2010 г.

Ф. 4.7-008-02

Министерство образования и науки Республики Казахстан

южно-казахстанский государственный университет

им. м.ауезова

Надирова Ж.К.

Пищевая биотехнология конспект лекций

для студентов специальности 050701 «Биотехнология»

Шымкент, 2010

УДК 631.52(075.8)

ББК 41.3я73

М14

Ж.К. Ндирова Пищевая биотехнология/Конспект лекций- Шымкент: Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова, - 2010.- 100 с.

Конспект лекций предназначен для студентов специальности 050701 «Биотехнология» и включает 15 лекций, содержание которых охватывает программу курса в соответствии с Государственным общеобязательным стандартом образования Республики Казахстан.

Конспект лекций составлен на основании Государственных общеобязательных стандартов образования РК (Астана, 2006 ( ГОСО РК 3.08. – 076 – 2006)

Рецензенты: Кылышбаева Г.Б. – к.с.-х.н., доцент кафедры Агротехнология АПИ

Алибаев Н.Н. – д.с.-х.н. КазАгроИнновация АО «Юго-Западный научно-

производственный центр»

Конспект лекций рекомендован к изданию Методическим советом ЮКГУ им. М. Ауезова, протокол № от « » 20___ г.

© Южно-Казахстанский

государственный университет

им. М.Ауезова

Содержание

Введение ………………………………………………………………………….. ……

Лекция 1. Введение. История развития биотехнологии микроорганизмов. Классические исследования Пастера, положившие начало промышленной микробиологии. Пищевая биотехнология как часть промышленной микробиологии. Основы пищевой биотехнологии. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов - важное направление пищевой биотехнологии………………………

Лекция 2. Микроорганизмы, использующиеся в бродильных производствах для получения практически ценных продуктов, их биохимическая деятельность. Использование дрожжей, плесневых грибов и бактерий в пищевой промышленности. Дрожжевое производство. Биохимические возможности дрожжевых клеток. Сущность и основные стадии технологического процесса производства дрожжей…………………………………………………………………………………………

Лекция 3. Производство спирта. Субстраты, использующиеся в спиртовом производстве. Сущность и основные стадии технологического процесса. Микроорганизмы, используемые в производстве спирта. Дрожжи – сахаромицеты, лактозосбраживающие дрожжи. Бактерии, используемые при производстве спирта……………

Лекция 4. Пивоварение. Дрожжи, использующиеся в пивоварении. Биохимические основы процесса сбраживания пивного сусла. Сущность и основные стадии технологического процесса………………………………………………………………………

Лекция 5. Виноделие. Дрожжи в виноделии. Биохимические основы процесса виноделия. Сущность и основные стадии технологического процесса. Уксуснокислые и молочнокислые бактерии и их роль в виноделии. Плесневые грибы - вредители винодельческой промышленности.………………………… …………………………….

Лекция 6. Хлебопекарное производство. Сущность технологического процесса. Основные микроорганизмы, использующиеся в хлебопекарном производстве. Молокоперерабатывающее производство. Виды продукции молокоперерабатывающей промышленности – молочнокислые напитки, сыр, йогурт, кумыс, шубат. Микроорганизмы, использующиеся в молокоперерабатывающих производствах. Общая характеристика молочнокислых бактерий, лактозосбраживающих дрожжей и смешанных культур микроорганизмов, использующихся в молокоперерабатывающих производствах. Сущность и основные стадии технологического процесса.…… …………

Лекция 7. Органические кислоты. Микроорганизмы – продуценты молочной, уксусной, лимонной, яблочной, итаконовой и других органических кислот, применяющихся в пищевой промышленности………………………………………………

Лекция 8. Получение белка. Получение белков из дрожжей. Получение белков из фототрофных микроорганизмов. Культура микроводорослей и цианобактерий. Пищевая ценность и перспективы применения микробного белка………………………

Лекция 9. Получение витаминов. Биологическая роль витаминов, их применение в пищевой промышленности. Витамин В₁₂. Рибофлавин, продуценты рибофлавина, получение и применение витамина В₂……………………………………………………

Лекция 10. Получение ферментов. Основные группы ферментных препаратов, используемых в пищевой индустрии. Микроорганизмы – продуценты ферментных препаратов. Особенности ферментов микроорганизмов. Сущность технологического процесса производства ферментных препаратов………………………………………

Лекция 11. Получение аминокислот. Микроорганизмы – продуценты аминокислот – аспарагиновой, глутаминовой, лизина и др., применяющихся в пищевой промышленности. Биотехнология производства аминокислот.………………………… ………

Лекция 12. Получение биологически активных добавок (БАД). Фототрофные микроорганизмы - продуценты биологически активных добавок к пище. Применение БАД в пищевой промышленности………………………………………………………

Лекция 13. Современная пищевая биотехнология. Использование пищевых добавок. Консерванты, ароматизаторы, красители, компоненты пищевых добавок. Генетически модифицированные продукты. Гигиеническая систематика пищевых добавок.

Лекция 14. Заражение пищевых продуктов микроорганизмами, токсичность продуктов питания и методы борьбы с этими явлениями. Микроорганизмы - вредители производства, пути их проникновения. Отравления, вызываемые пищевыми продуктами, и методы борьбы с инфекциями. Патогенные микроорганизмы. Токсикоинфекция………………………………………………………………………………………

Лекция 15. Микробиологический и санитарно-гигиенический контроль пищевых продуктов. Значение микробиологического и санитарного контроля.

Микробиологический контроль. Санитарный контроль. Общая схема контроля пищевых производств. Дезинфекция. Контроль качества дезинфекции. Общий санитарно-гигиенический контроль……………………………………………………………

Список использованной литературы ………………………………………………….

Введение

Задача изучения курса «Пищевая биотехнология» - научить студентов управлять технологическим процессом получения пищевых продуктов на основе растительного сырья, самостоятельно разрабатывать и внедрять новые, современные технологии с использованием биопродуцентов растений и микроорганизмов, получать аналоги и комбинированные пищевые продукты с высокой биологической ценностью для массового потребления и лечебно-профилактического направления. Студент должен усвоить знания о структуре биотехнологической отрасли и номенклатуре основных продуктов: о сырьевой базе, свойствах и показателях качества исходных продуктов; об основных сферах применения конечных продуктов; о современных методах клеточной, генетической и белковой инженерии для создания высокоэффективных продуцентов пищевых продуктов и биопрепаратов; о мировых и отечественных тенденциях и перспективах развития биотехнологии.

Согласно определению Codex Alimentarius Commission (CAC 2001a), современная биотехнология – это применение следующих in vitro методик: 1) работа с нуклеиновыми кислотами, в том числе получение рекомбинантной ДНК и введение нуклеиновых кислот непосредственно внутрь клеток или органелл 2) слияние клеток организмов, принадлежащих к разным таксономическим группам, которые позволяют преодолеть естественные физиологические репродуктивные или рекомбинационные барьеры и не являются методиками, традиционно используемыми при скрещивании и селекции. Особое внимание в работе уделяется применению подходов современной биотехнологии (в особенности метода рекомбинантных ДНК) к организмам, используемым для производства продуктов питания.

Применение современной биотехнологии в производстве продуктов питания открывает новые возможности и поднимает вопросы, касающиеся здоровья и развития человека. Метод рекомбинантных ДНК – наиболее известный подход, используемый современной биотехнологией, – позволяет генетически модифицировать растения, животных и микроорганизмы, наделяя их качествами, получение которых невозможно с помощью традиционных методов селекции. Помимо генетического модифицирования к методам современной биотехнологии относят также клонирование, культивирование тканей и селекцию под контролем маркеров. Придание сельскохозяйственным растениям новых качеств обеспечивает повышение продуктивности сельского хозяйства, улучшение питательных свойств или облегчение процесса переработки сырья, что может непосредственно способствовать улучшению здоровья человека. Возможны также эффекты, косвенно способствующие улучшению качества жизни, такие как снижение объемов распыляемых химикатов, повышение доходности фермерских хозяйств, стабильности урожая и безопасности продуктов питания, что особенно актуально для развивающихся стран. Некоторые страны разработали руководства и/или законодательные акты, подразумевающие проведение обязательного домаркетингового анализа риска использования генномодифицированных продуктов питания. Для решения подобных вопросов на международном уровне существуют специальные соглашения и нормы.

Лекция 1. Введение. История развития биотехнологии микроорганизмов. Классические исследования Пастера, положившие начало промышленной микробиологии. Пищевая биотехнология как часть промышленной микробиологии. Основы пищевой биотехнологии. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов - важное направление пищевой биотехнологии.

История развития биотехнологии. Классические исследования Пастера, положившие начало промышленной микробиологии.

Человек с давних времен начал использовать деятельность микроорганизмов, не подозревая об их существовании, и эмпирически совершенствовал технологию их применения во многих отраслях хозяйства. В Египте, 6000 назад был найден каравай хлеба, для приготовления которого использовали осадки бродящего пивного сусла. В Греции, Италии, Египте 3000 лет назад уже известно было приготовление вина и уксуса. В Вавилоне, Египте, Персии, Греции, Германии 7000 лет до н. э. знали технологию изготовления пива. Во всех странах получали кисломолочные продукты (простокваша, кефир, кумыс, мацони, айран, сузьма и т.д.). Технологию получения этилового спирта (Aquafa vitae- вода жизни) знали уже в V-VII веке нашей эры, на папирусах египтян изложена технология анаэробных процессов брожения. Также давно человечество начало бороться с отрицательным действием микроорганизмов, вызывающим порчу продуктов. Во второй половине XV века наметилось зарождение современного естествознания в трудах алхимиков была доказана связь брожения с химическими преобразованиями. В 1780 г. Лавуазье обосновал основы закона сохранения энергии при брожении.

Формирование микробиологии как науки связанно с работами французского ученого Луи Пастера (1822 - 1895). Он доказал, что процессы брожения - результат воздействия на субстраты микроорганизмов. Этому способствовало изобретение микроскопа (середина XVIII века), уже было описано множество различных микроорганизмов. Пастер открыл облигатные анаэробы, причины болезней вин, некоторых инфекционных заболеваний, способ пастеризации. С появлением этих открытий закончился допастеровский период развития и начался пастеровский. Немецкий ученый Кох (1843 - 1910) разработал метод получения чистых культур. В 1897 г. братья Бухнеры показали, что спиртовое брожение идет в присутствии экстракта растертых дрожжей за счет ферментов, началось развитие новой науки - биохимии. Виноградский (1856 - 1953), Омелянский (1867 - 1928) исследовали анаэробное разложение целлюлозы, образование метана. В 1923 освоено первое микробиологическое производство- получение лимонной кислоты.

Дрожжи, вероятно, одни из наиболее древних «домашних организмов». Тысячи лет люди использовали их для ферментации и выпечки. Археологи нашли среди руин древнеегипетских городов жернова и пекарни, а также изображение пекарей и пивоваров. Предполагается, что пиво египтяне начали варить за 6000 лет до н. э., а к 1200 году до н. э. овладели технологией выпечки дрожжевого хлеба наряду с выпечкой пресного. Для начала сбраживания нового субстрата люди использовали остатки старого. В результате в различных хозяйствах столетиями происходила селекция дрожжей и сформировались новые физиологические расы, не встречающиеся в природе, многие из которых даже изначально были описаны как отдельные виды. Они являются такими же продуктами человеческой деятельности, как сорта культурных растений.

Луи Пастер — учёный, установивший роль дрожжей в спиртовом брожении

В 1680 году голландский натуралист Антони ван Левенгук впервые увидел дрожжи в оптический микроскоп, однако не распознал в них из-за отсутствия движения живые организмы. И лишь в 1857 году французский микробиолог Луи Пастер в работе «Mémoire sur la fermentation alcoholique» доказал, что спиртовое брожение — не просто химическая реакция, как считалось ранее, а биологический процесс, производимый дрожжами.

В 1881 году Эмиль Христиан Хансен, работник лаборатории датской компании Carlsberg, выделил чистую культуру дрожжей, а в 1883 году впервые использовал её для получения пива вместо нестабильных заквасок. В конце XIX века при его участии создаётся первая классификация дрожжей, в начале XX века появляются определители и коллекции дрожжевых культур. Во второй половине века наука о дрожжах (зимология) помимо практических вопросов начинает уделять внимание экологии дрожжей в природе, цитологии, генетике. До середины XX века учёные наблюдали только половой цикл аскомицетных дрожжей и рассматривали их всех как обособленную таксономическую группу сумчатых грибов. Японскому микологу Исао Банно в 1969 году удалось индуцировать половой цикл размножения у Rhodotorula glutinis, которая является базидиомицетом. Современные молекулярно-биологические исследования показали, что дрожжи сформировались независимо среди аскомицетных и базидиомицетных грибов и представляют собой не единый таксон, а скорее жизненную форму. 24 апреля 1996 года года было объявлено, что Saccharomyces cerevisiae стала первым эукариотическим организмом, чей геном (12 млн пар оснований) был полностью секвенирован. Секвенирование заняло 7 лет, и в нём принимали участие более 100 лабораторий. Следующим дрожжевым организмом и шестым эукариотом с полностью расшифрованным геномом в 2002 году стала Schizosaccharomyces pombe с 13,8 млн пар оснований.

Шапошников, в 1925 году разработал основы производства молочной и масляной кислот, в 1930 году - ацетона и бутилового спирта и т.д.

Новый этап развития биотехнологии связан с началом производства антибиотиков. Все остальные этапы - это современная промышленная микробиология, которая является составной частью биотехнологии. Освоение « микробных богатств» природы только началось, ученые считают, что мы знаем только около 10 % обитающих в ней мельчайших живых существ. Дальнейшие исследования позволяют найти новые пути их широкого использования.

Пищевая биотехнология как часть промышленной микробиологии. Основы пищевой биотехнологии.

Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут дать пищевые добавки, выгодно отличающиеся своей «натураль­ностью» от синтетических продуктов, преобладающих в насто­ящее время. В будущем кулинар сможет добавить в изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты— продукты, образуемые в биореакторах с растительными клет­ками. Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аспартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli_t недавно клонирован также ген тауматина (S. Prentis, 1984).

Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляют фруктовые соки, производят безлактозное (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышения питательной ценности представ­ляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверх­продуцентов, полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генноинженерный штамм Е. coli синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования (В. Г. Дебабов, 1982). Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов. Биомасса одноклеточных в перспективе может употребляться как пищевая добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что н для производства кормового белка, однако круг допустимых субстратов более ограничен, а требования к компонентному составу биомассы более жесткие. В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80% белка сбаланси­рованного аминокислотного состава, не более 2% нуклеиновых кислот и 1% липидов (М. Г. Безруков, 1985). Необходимы детальные токсикологические и медико-биологические исследова­ния с последующим клиническим испытанием пищевых препара­тов биомассы (В. Г. Высоцкий, 1985). Психологический барьер, на который наталкивается произ­водство «микробной пищи» в странах Европы и Японии, связан не только с прямым риском подвергнуться интоксикации, но и с сомнительными вкусовыми достоинствами этой «пищи будущего». Эксперт по проблемам питания, попробовав обра­зец бактериальной биомассы, заметил: «Она имеет все те свойства, которыми должна обладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни структуры, ни вкуса».

Таблица 1. Перспективы использования биотехнологических продуктов в пищевой промышленности)

Остается выразить надежду на то, что в эпоху, когда белок одноклеточных войдет в употребление, биотехнология смо­жет в полной мере использовать созданный ею же потенциал расти­тельных и микробных клеток как продуцентов вкусовых, арома­тизирующих и структурирующих пищу добавок. Перспективным представляется культивирование грибов (Fusarium), цианобактерий (Spirulina), зеленых водорослей (Chtorella, Scenedesmus), имеющих консистенцию и другие органолептические свойства, более привычные для человека. Волокнистую массу Fusarium на базе картофельного или пшеничного крахмала как источник пиши для человека производительная компания Rank Hovis Мс. Dougall.

Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов - важное направление пищевой биотехнологии.

Биотехнологический синтез биологически активных веществ - продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, культур клеток и тканей, растений и животных - приобрел в последнее время большое значение и продолжает развиваться чрезвычайно быстрыми темпами. Наряду с биосинтезом многие биологически активные вещества могут быть получены методами тонкого органического синтеза, поэтому выбор конкретного пути получения продукта определяется сравнительной экономической эффективностью биологического и химического способов производства. Часто на практике используют технологию, включающую и химические, и биологические стадии, которые взаимно дополняют друг друга. В результате промышленный биосинтез немыслим без применения (как на стадиях подготовки, так и при переработке продуктов) методов химической технологии, опробованных и нашедших широкое распространение в тонком органическом синтезе. В свою очередь последний все чаще не может обойтись без некоторых технологических стадий, осуществляемых с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов и ферментных систем.

Наглядное представление о выше сказанном может быть проиллюстрировано на примере технологии аминокислот. Все 20 представителей этого класса органических соединений, являющихся мономерами для построения природных полипептидов и белков, достаточно глубоко изучены в химическом смысле, а методы их синтеза описаны во всех учебниках органической химии. Известно также, что, в частности, белки млекопитающих построены исключительно из одного типа аминокислот, так называемых левовращающих, обозначаемых буквой L.

Современными методами тонкого органического синтеза можно синтезировать D- и L-формы аминокислот в любых количествах, однако все реальные способы их производства приводят лишь к образованию рацематов. Альтернативой химическому синтезу оказывается микробиологический процесс, в котором специально подобранные, отселекционированные, а иногда и сконструированные методами генетической инженерии штаммы-продуценты в процессе жизнедеятельности, обычно на поздних стадиях развития, осуществляют так называемый сверхсинтез аминокислот, то есть производят их в количествах, намного превышающих потребности самих клеток. Поэтому все аминокислоты, D-изомеры которых не приемлемы для употребления, получают в промышленном масштабе только биотехнологическими методами.

Необходимо отметить однако, что промышленный биосинтез аминокислот требует их выделения из весьма сложных по составу и разбавленных раствором - получающихся после отделения клеточной биомассы. Здесь и находит применение совокупность приемов, характерных для тонкого органического синтеза и предназначенных для получения товарных форм L-аминокислот, пригодных для кормового, пищевого или медицинского применения.

Лекция 2. Микроорганизмы, использующиеся в бродильных производствах для получения практически ценных продуктов, их биохимическая деятельность. Использование дрожжей, плесневых грибов и бактерий в пищевой промышленности. Дрожжевое производство. Биохимические возможности дрожжевых клеток. Сущность и основные стадии технологического процесса производства дрожжей.

Микроорганизмы, использующиеся в бродильных производствах для получения практически ценных продуктов, их биохимическая деятельность. Использование дрожжей, плесневых грибов и бактерий в пищевой промышленности.

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен: от вырабатываемых с древних времен за счет брожения хлеба, сыра, йогурта, вина и пива до новейшего вида пищевого продукта - грибного белка микопротеина. Микроорганизмы при этом играют разную роль: используются продуцируемые ими ферменты или другие метаболиты, с их помощью сбраживается пищевое сырье, а некоторые из них выращиваются для непосредственного потребления. В пищевой промышленности для осуществления процессов применяют как чистые культуры микроорганизмов, так и дикие формы, содержащиеся в значительном количестве в сырье, которые начинают размножаться при создании надлежащих условий. Последний способ особенно характерен для традиционных бродильных производств, зародившихся во времена, когда о микробах еще ничего не знали. В мире промышленного производства такие процессы обычно ведутся под гораздо более строгим контролем. Особенно это относится к выбору штамма и чистоте культур используемых микроорганизмов. До недавнего времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности с целью усовершенствования освоенных процессов и более умелого использования микроорганизмов, но будущее здесь принадлежит генетическим исследованиям по созданию более продуктивных штаммов для конкретных нужд внедрению новых методов в технологии брожения. Таким путем мы сможем повысить выход и качество выпускаемой продукции и освоить производство новых ее разновидностей. Производству пищевых продуктов и напитков основано на переработке сырья, в основном поставляемого сельским хозяйством, или же на использовании определенных веществ. Все органические вещества, применяемые в пищевой промышленности, в принципе могут использоваться микроорганизмами. Уже одно это говорит о ключевой роли микробиологии при производстве продуктов питания: здесь микробы могут играть и положительную, и отрицательную роль. Последняя, видимо, более выражена: не случайно меры предосторожности против нежелательной деятельности микробов занимают такое важное место при производстве пищи и ее потреблении. Размножение микробов может вызвать нежелательные изменения качества пищевых продуктов или их внешнего вида. При этом нередко образуются вещества, обладающие токсическим действием. Понятно, что явная порча пищи и связанные с этим экономические убытки весьма нежелательны, однако наиболее опасным следствием размножения микробов в пищевых продуктах является образование токсинов. Некоторые микроорганизмы при подходящих условиях образуют токсины, вызывающие серьезные заболевания или даже смерть. В биотехнологии микроорганизмы играют положительную роль, поэтому возможности их применения для сохранения пищи уже, чем при ее производстве. Ниже мы приведем несколько примеров того, как используется биотехнология в первом варианте, однако в этой главе мы в основном рассмотрим те процессы, в которых микробы активно участвуют в производстве пищи. Мы обсудим также применение современных методов и знаний для интенсификации этих производств.

Получение напитков путем спиртового брожения — одно из древнейших бродильных производств. Первыми из таких напитков были, видимо, вино и пиво. До появления работ Пастера в конце ХIХ в. о сути протекающих при брожении процессов и их механизмах было известно очень мало. Пастер показал, что брожение без доступа воздуха осуществляется живыми клетками дрожжей, при этом сахар превращается в спирт и угле- кислый газ. Тогда же было показано, что брожение осуществляется под действием каких-то веществ, находящихся внутри дрожжевых клеток. Одно из главных нововведений в области микробиологии брожения было предложено Хансеном, работающим в исследовательском центре Карлсберг в Копенгагене с дрожжами дикого типа. При производстве пива эти дрожжи доставляли массу неудобств. Хансен выделил чистые культуры дрожжей и использовал их в пивоварении; тем самым он стал пионером применения таких культур при производстве пива. Алкогольные напитки получают путем сбраживания сахар- содержащего сырья, в результате которого образуются спирт и углекислый газ. Сбраживание осуществляется дрожжами рода Sacharomyces. В одних случаях используется природный сахар (например, содержащийся в винограде, из которого делают вино), в других сахара получают из крахмала (например, при переработке зерновых культур в пивоварении). Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии Saccharomyces, так как эти виды дрожжей не могут гидролизовать полисахариды. В производстве спиртных напитков применяют штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae или S. carlsbergensis. Различие между ними заключается в том, что S. carlsbergensis могут полностью сбраживать раффинозу, а Saccharomyces cerevisiae к этому не способны.

Для осуществления спиртового брожения прежде всего необходимо, чтобы в пивоваренном сырье образовался сахар. Традиционным источником нужных для этого полисахаридов всегда был ячмень, но в качестве дополнительных используются и другие виды углерод – содержащего сырья. Ячменный солод и другие компоненты измельчают с водой при температуре до 67 ºC. В ходе перемешивания природные ферменты ячменного солода разрушают углеводы зерна. На заключительной стадии раствор, называемый суслом, отделяют от нерастворимых остатков добавив хмель, его кипятят в медных котлах. для производства пива с определенным содержанием алкоголя сусло после кипячения доводят до нужной плотности. Удельная плотность сусла определяется содержанием экстрагированных сахаров, подлежащих сбраживанию. По истечении определенного времени брожение заканчивается, дрожжи отделяют от пива и выдерживают его некоторое время для созревания. После фильтрации и других необходимых процедур пиво готово. Начатое по инициативе Хансена использование индивидуальных штаммов дрожжей в пивоварении сегодня стало нормой: это культуры Saccharomyces cerevisiae и S. сarlsbergensis. Первые представляют собой дрожжи поверхностного и глубинного брожения: они применяются в производстве эля. Вторые — дрожжи глубинного брожения, их используют в производстве легкого пива. Хотя генетика дрожжей развивается уже в течение многих лет, мы лишь недавно научились осуществлять селекцию дрожжей, используемых в производстве пива. По мере углубления наших знаний о свойствах дрожжей и тех качествах, которые они придают конечному продукту, все успешнее идет работа по выведению новых штаммов пивных дрожжей. В конечном счете мы сможем создать штамм, позволяющий получить идеальный продукт. Требования к таким идеальным дрожжам будут, естественно, зависеть от способа сбраживания и желаемых качеств пива. К числу наиболее важных свойств относятся продуктивность, способность формировать осадок, сбраживать мальтотриозу и т. д. Принимаются во внимание и вкусовые качества получающегося пива, т. е. образование веществ, ответственных за их формирование. Ранее основным способом получения штаммов, дающих продукт нужного качества, был их отбор из существующих пивных дрожжей. Вести отбор было выгоднее, чем заниматься гибридизацией, отчасти из-за малой способности пивных дрожжей к спорообразованию и низкой жизнеспособности аскоспор. В каждом аске образуется от одной до четырех спор, но не все они освобождаются при созревании. дрожжи из рода Saccharomyces размножаются в основном вегетативно. При этом за счет множественного латерального почкования формируются сферические, эллипсоидные или реже цилиндрические дочерние клетки. Поскольку для развития технологии пивоварения могут понадобиться штаммы дрожжей, отличающиеся по свойствам от обычно используемых, придется прибегнуть к гибридизации. Основным вкладом биотехнологии в пивоваренную промышленность будет создание штаммов дрожжей, способных давать пиво с желаемыми свойствами.

Необходимое условие любого спиртового бродильного процесса — наличие сахара в сырье. Так, в производстве вина используется сахар виноградного сока. Почти все вино в мире делают из винограда одного вида, Vitis vinifera. Сок этого винограда— прекрасное сырье для производства вина. Он богат питательными веществами, служит источником образования приятных запаха и вкуса, содержит много сахара; его природная кислотность подавляет рост нежелательных микроорганизмов. Виноделие в отличие от пивоварения до самого последнего времени было основано на использовании диких местных дрожжей. Единственная обработка, которой подвергали виноград до отжима, — окуривание его сернистым газом, чтобы сок не темнел. Кроме того, сернистый газ подавляет деятельность не-винных дрожжей; это позволяет винным дрожжам, которые менее чувствительны к нему, осуществлять брожение без помех. При изготовлении красного вина гребни, косточки и кожица до конца брожения находятся в виноградном сусле (мусте), а белое вино делают из чистого сока. Обычно окуривание сернистым газом проводят до того, как раздавливают ягоды, но иногда его добавляют и на более поздних стадиях. В табл. 3.5 перечислены виды дрожжей, наиболее часто встречающиеся на кожице виноградных ягод. В прошлом именно эти дикие дрожжи и осуществляли спиртовое брожение. Сегодня в тех районах, где виноделием начали заниматься недавно, широко применяются дрожжевые закваски. Связано это с тем, что желаемая микрофлора может и отсутствовать, а инокуляция стандартной культурой дрожжей позволяет получать вина с нужными свойствами. Кроме того, количество используемого сернистого газа ограничено законом, и это побуждает применять дрожжевые культуры-закваски. Винодельт не оченьто полагаются на дрожжи дикого типа, если нет уверенности, что конкуренция со стороны не-винных дрожжей не подавлена. Использование заквасок дает ряд преимуществ: сокращается лаг-период размножения дрожжей, образуется продукт с известными свойствами, уменьшается вероятность появления нежелательного вкуса, поскольку в брожении не участвуют дикие невинные дрожжи. В будущем использование специально созданных штаммов будет все более расширяться: это гарантирует необходимые вкусовые качества вин. Смешанные закваски позволяют получать продукцию с полным букетом, что невозможно при работе с индивидуальными штаммами. Вкусовые различия между сортами винограда определяются особыми веществами. Так, в формировании вкуса мускатных сортов участвуют производные терпенов, линалоол и гераниол.

Производство перегнанного спирта моложе, чем неперегнанных спиртных напитков, но и его корни теряются в веках. Для получения напитка, содержащего 40% (по объему) спирта, нужна перегонка. Ее и сегодня осуществляют в перегонных аппаратах, представляющих собой модификации устройства, предложенного в 1830 г. Коффи и носящего его имя. Различия в сортах спиртовых продуктов зависят в основном от природы сырья, а также от того, подвергался ли конечный продукт выдержке. В спиртовом производстве используются пригодные для этой цели штаммы Saccharomuces. Крупные спиртовые заводы всегда ведут свою собственную культуру дрожжей в специальных средах. Выбор штамма дрожжей при производстве спирта определяется их продуктивностью в особых условиях бродящего сусла. Брожение должно идти активно с образованием спирта в количестве, близком к теоретическому пределу. Хотя в качестве сырья можно использовать разнообразные продукты, некоторые сорта спирта обычно производят из вполне определенных его типов. Так, коньяк, получаемый при перегонке вина, делают из винограда, а шотландский виски — из ячменного солода. Другие напитки — американский виски, джин и водку, которые обычно делают из зерна (например, кукурузы), можно производить на основе другого подходящего сырья. Ром обычно получают из мелассы сахарного тростника или свеклы. Когда сырьем служит зерно (например, пшеницы или кукурузы), до сбраживания необходимо гидролизовать крахмал до сахаров. Так, виски — это продукт перегонки пива без хмеля. Первые стадии процесса производства виски такие же, что и при приготовлении сусла в пивоварении. Однако если применяют кукурузу или другие зерновые, то до приготовления сусла непосредственно в бродильных чанах проводят обработку крахмала в зерне ферментами солода. Если для производства спирта используют мелассу, такие предварительные операции не нужны, поскольку углеводы в ней содержатся в форме, пригодной для сбраживания. Тем не менее сырье все же приходится подготавливать к процессу: осветлять, подогревать и разводить водой, чтобы получить концентрацию сахара, оптимальную для брожения. После подготовки сырья добавляют культуру подходящих дрожжей и ведут сбраживание. В конце его, когда концентрация спирта достигнет 9—11% (по объему), отделяют дрожжи путем отстаивания. Остатки их перед перегонкой можно удалить центрифугированием. Применяются два способа: кубовый и непрерывной перегонки (Патент Коффи). После этого продукт либо отправляют на созревание (например, виски), либо проводят завершающие операции и разливают по бутылкам (джин, водка). Для продажи спиртопродукты обычно разводят до стандартной концентрации в них спирта (40% по объему).

Остановимся на некоторых важных особенностях производства отдельных разновидностей спиртопродуктов. Очень важно использовать правильный штамм дрожжей. При выработке рома для производства сортов с сильным запахом обычно применяют штаммы дрожжей Schizosaccharomyces, а с менее интенсивным — быстро работающие Saccharomyces. Отметим, что процесс образования спирта ускоряется бактериями Clostridium saccharobutyricum. Самый лучший ром получают в том случае, когда соотношение бактерий к дрожжам составляет 1: 5. Культуру бактерий вносят, когда концентрация этанола достигает 3,5—4,5%, а сахара — 6% (вес/объем). Штаммы дрожжей, используемые в спиртовой промышленности, должны сохранять жизнеспособность вплоть до концентрации этанола 12-15% (по объему). Кроме того, если в качестве сырья используется зерно, дрожжи должны обладать способностью гидролизовать низкие олигосахариды до глюкозы. Это необходимо для полного превращения крахмала в этиловый спирт и углекислый газ. Перегонка — дорогостоящий этап процесса, так как он энергоемок. Использование дрожжей, выдерживающих повышенные концентрации спирта, уменьшает энергозатраты на этом этапе, поскольку для достижения одной и той же концентрации спирта надо отгонять меньше воды.

Сброженный яблочный сок известен под названием сидр. В технологии производства сидра и вина есть много сходного. Когда делают сидр, яблоки прежде всего измельчают в кашицу и отжимают сок. Для этого применяют как прессы, так и другие устройства, работающие на иных принципах. Способы подготовки сока перед брожением весьма разнообразны; он может использоваться как без обработки, так и после подавления в нем естественной микрофлоры и замещения ее дрожжами под ходящих штаммов. аще всего к соку добавляют сернистый газ, чем подавляют развитие Kloeckera apiculata, неблагоприятно влияющих на вкус готового сидра. Вслед за этим можно начинать брожение. Оно происходит либо при участии диких дрожжей, либо после добавления дрожжевой культуры-закваски. Требования, предъявляемые к дрожжам при производстве сидра, в общем те же, что и в других бродильных процессах: они должны обеспечивать полноту сбраживания, высокую его скорость и легко выпадать в осадок. Так как Saccharomyces растут медленно, при крупномасштабном производстве сидра нередко к обработанному сернистым газом соку добавляют те или иные чистые культуры дрожжей. Разные штаммы дрожжей образуют специфические ароматические вещества. Поэтому при производстве сидра точно так же, как в пивоварении, можно использовать разные штаммы для придания сидру специфического вкуса. Чтобы получить сидр определенного сорта, добавляемые дрожжи должны преобладать над дикими, быстрее размножаться и определять конечные свойства продукта. Запуск процесса доминирующей формой дрожжей — один из наиболее широко используемых способов, применяемых при крупномасштабном производстве сидра. Важно, чтобы дрожжи были способны образовывать полигалактуронидазу, необходимую для гидролиза деэтерифицированных пектинов до галактуроновой кислоты. В противном случае в конце брожения сидр не просветляется. Для просветления сидра нередко добавляют гидролизующие пектин ферменты, включая полигалактуронидазу; их получают из грибов (разд. 3.7.3). для подавления развития всех штаммов дрожжей, кроме нужных для ферментации, при производстве сидра применяют сернистый газ по той же схеме, что и в виноделии. Если не заботиться о чистоте аппаратуры и не применять газ, дикие дрожжи могут размножиться и вытеснить культурные.

Хотя уксус и не принадлежит к алкогольным напиткам, мы решили остановиться на его производстве в этом разделе, поскольку одна из двух стадий его получения включает спиртовое брожение.

Уксус — это продукт, содержащий не менее 4% (вес/объем) уксусной кислоты; его получают с помощью двухстадийного процесса. Вначале осуществляют спиртовое брожение, в ходе которого сахар сырья превращается в спирт при участии S. cerevisiae. Сырьем может быть любой продукт, который сбраживается с образованием спирта. После завершения этого этапа дрожжам дают осесть и собирают надосадочную жидкость. Содержание спирта доводят до 10-13%, и, если в ходе брожения для подавления роста бактерий добавлялся сернистый газ, его перед дальнейшими операциями удаляют. На следующем этапе этиловый спирт превращается в уксусную кислоту (промежуточным продуктом является ацетальдегид). Все процессы получения уксуса идут при участии смешанных культур Acetobacter ; в некоторых случаях применяют закваски. На этой стадии основную роль играют бактерии A. Schuetzenbachii, A. Curvim, A. orleanense и близкие к ним микроорганизмы. Брожение происходит в аэробных условиях с потреблением больших количеств кислорода и выделением тепла. Ранее этот второй процесс шел медленно, но его удалось усовершенствовать и увеличить конверсию этилового спирта в уксусную кислоту. Метод глубинной ферментации в этом производстве применить долгое время не удавалось. Проблему удалось решить лишь после второй мировой войны: этому помогли исследования по аэрации культур при производстве антибиотиков. Сегодня эта технология нашла широкое применение.

Дрожжевое производство. Биохимические возможности дрожжевых клеток

Что касается химического состава дрожжей, то характерными признаками будут нижеперечисленные составные их части.

Влажность дрожжей. Она достигает 70 процентов. В 109 испытаниях, проведенных Цшейле (1920), низшая влажность была 64 %, высшая 75,7 %, средняя же была 71,7 %. Сухие на ощупь дрожжи могут быть богаче водой, чем казалось бы более влажные на ощупь; это находится в связи с набуханием дрожжей, а также с тем, что часть воды является клеточной водой дрожжей, а часть - механически связанной, повисшей на них, не удаленной прессованием. Во всяком случае, хорошо прессованные дрожжи должны иметь содержание воды, близкое к вышеуказанной средней цифре, не выше 75 %. Они никогда не должны быть мокрыми на ощупь. Содержание белков в дрожжах колеблется в широких пределах -  от 35 до 66 % сухого вещества. При оценке дрожжей содержание белка играет большую роль. Теоретически бродильная сила дрожжей должна быть параллельна содержанию в них азота. Так оно в известном смысле и бывает. Но так как очень богатые белком дрожжи склонны к быстрым изменениям, бродильная сила богатых белками дрожжей недолговечна и на практике дрожжи со средним содержанием белка (50%) оказались лучше других. Геннеберг делит дрожжи, в зависимости от содержания в них белка, на следующие группы:

1. Белковые упитанные дрожжи	около 60°/о  белка	и больше
2.Белковые дрожжи	около 55 % белка	и больше
3. Белково-гликогенные дрожжи	около 50 % белка	и больше
4.Гликогенно-белковые. дрожжи	около 45 % белка	и больше
5.Гликогенные дрожжи	около 40 % белка	и больше
6.Гликогенные упитанные дрожжи	около 38 % белка	и больше
7. Жирные дрожжи	около 36 % белка	и меньше

В обратном соотношении к содержанию белка находится содержание гликогена (углевода) в дрожжах. Умеренное содержание гликогена способствует прочности; слишком большое количесто его снижает бродильную способность и способствует самосбраживанию дрожжей. Содержание гликогена, а тем самым и белка, определяется пробой на иод. Кусок дрожжей величиной с орех хорошо растирается с водой в белой фарфоровой чашечке и смешивается с раствором иода; по появляющемуся окрашиванию определяют содержание гликогена и белка; обычно бывает так: краснокоричневая окраска — очень много гликогена, очень мало белка, коричневая окраска — много гликогена, мало белка, желтокоричневая окраска — мало гликогена, много белка, красножелтая окраска — очень мало гликогена, очень много белка.

Содержание жира в хороших дрожжах должно быть умеренным. Много жира — заметного под микроскопом в виде капелек - образуется при сильной вентиляции дрожжей и связано с бедностью белком и плохой бродильной способностью. Особое значение имеет, наконец, волютин — вещество, содержащее фосфорную кислоту, которое, по опытам Генйеберга, тесно связано с бродильной способностью дрожжей. Он образует в умерщвленных и окрашенных метиленблау клетках видимую под микроскопом красную массу, — в покоящихся клетках в виде довольно большого шарика, в бродящих - в виде многочисленных мелких частиц. Хорошо упитанные, более богатые белком дрожжи будут богаче волютином, во всяком случае могут скорее образовывать его, как только им дадут сахар.Очень целесообразно определять содержание кислоты в дрожжах; кислота происходит из приставшей питательной жидкости, на нее может оказывать влияние и количество мертвых дрожжевых клеток. Титрованную кислотность определили в 2,0 - 3,5 градусов кислотности, т. е. кубических сантиметров нормальной щелочи на 100 г свежих дрожжей. Концентрация водородных ионов была найдена в 5,4 - 4,75 рН.

Эти качественные показатели, хотя они и кажутся очень важными, получают значение при определении дрожжей лишь тогда, когда их рассматривают совместно с результатами микроскопических исследований, которые определяют строение, форму и внутренние свойства дрожжей.Вполне возможно распознать под микроскопом различные формы состояния дрожжевой клетки и на основании их, принимая во внимание вещественные особенности, делать заключения о пригодности дрожжей. Различные группы, на которые Геннеберг делит дрожжи по их внутреннему составу, мы уже приводили; они соответствуют ходу развития дрожжевой клетки. Молодые дрожжевые клетки жадно поглощают азотистые соединения, чтобы иметь возможность почковаться. Они становятся богаче белками, плазма делается сильно светопреломляющей, „маслянистой"; зернистость едва заметна. Такие „белковые дрожжи" не имеют большей частью никаких или лишь несколько маленьких вакуолей, капельки жира отсутствуют, гликоген тоже или имеются только его следы. В процессе почкования дрожжи делаются беднее белком, усиленно откладывают гликоген, появляются более или менее резко выделяющиеся вакуоли. Эти „гликогенные дрожжи", легко распознаваемые по краснокоричневому окрашиванию иодом, будут очень плохими или совсем не будут хлебопекарными дрожжами. Когда при дальнейшем развитии дрожжей кончается сахар в питательном растворе, гликоген начинает уменьшаться в клетках; снова начинает откладываться белок. В этом состоянии дрожжи образуют среднее между белковыми (и гликогенными дрожжами. Их называют белково-гликогенными или гликогенно-белковыми, в зависимости от содержания белка. Это состояние соответствует нормальным хорошим прессованным дрожжам.

Пивные дрожжи нижнего брожения в этом состоянии тоже могут употребляться для хлебопечения. При очень сильной вентиляции образуются „жирные дрожжи". В них гликогена нет, количество белка незначительно, плазма явно зернистая, появляются большие, неопределенной формы вакуоли и многочисленные капельки жира. Определить, действительно ли продажные прессованные дрожжи являются дрожжами верхнего брожения, при известном навыке довольно легко. Характерные дрожжевые колонии вполне ясно указывают на дрожжи верхнего брожения; несбраживаемость этими дрожжами рафинозы подкрепляет результаты биологического исследования. Дрожжи верхнего брожения, кроме того, переносят более высокие температуры брожения, около 45° Ц. Примесь чуждых организмов или веществ всегда снижает ценность дрожжей, безразлично, будут ли это случайные, появившиеся благодаря ошибке в производстве, загрязнению или умышленные примеси. На первом месте среди ненамеренных загрязнений стоит заражение дикими дрожжами, особенно плесневыми пленчатыми, дрожжами с микодерма. О вредности примеси плесневых дрожжей спорят много. Заинтересованная сторона часто указывает на то, что примесь плесневых дрожжей ничуть не снижает ценности дрожжей, что можно доказать опытными выпечками. Автор много занимался этим вопросом. Из опытов Книшевской и Мооса выяснилось, что при производственном безопарном приготовлении теста относительно высокое процентное содержание плесневых дрожжей в прессованных дрожжах осталось незамеченным. Прессованные дрожжи, загрязненные на 20 - 30 % (даже 40 %) плесневыми дрожжами, так обеспечили брожение теста, что ни один пекарь не нашел нужным говорить о неудовлетворительности дрожжей. Также и наблюдение за ходом брожения и экспертиза готового хлеба не выявили больших отклонений от нормы, хотя уже тесто было менее крепким и не так хорошо обрабатывалось. Жаловаться на плохие дрожжи стали только тогда, когда примесь микодермы достигла 50%. Брожение было замедленным, расстойка сильно отстала, тесто расплывалось и хлеб не поднимался. Как только примесь микодермы снизилась опять до 20 - 25%, жалобы прекратились. Известно, что в хлебопечении, при прямом брожении (безопарном способе приготовления теста) не придерживаются минимально допустимого количества дрожжей. Из разных технических соображений дают много дрожжей. Вполне возможно, что, благодаря большим количествам дрожжей, заражение микодермой было заметно только при высоком ее процентном содержании. Опыты, произведенные с чистыми дрожжами и с загрязненными 25 процентами пленчатых дрожжей, доказали это.При безопарном способе приготовления хлеба с применением 50 г дрожжей на 1 л воды разницы совершенно не было видно. И при 30 г на 1 л жидкости время брожения различалось лишь на несколько минут. Но хлеб с зараженными дрожжами отставал в объеме в 10 - 20 см3 на 100 г муки. У хлеба с чистыми дрожжами прежде всего лучше расстойка, чем у расплывающегося хлеба с плесневыми дрожжами; в мелких изделиях это особенно заметно. Образование корки при чистых дрожжах лучше и равномернее. Особенно же сказывается присутствие примеси микодермы при опарном способе приготовления хлеба, когда в процессе брожения ничего особенного не наблюдается, но хлебный мякиш при зараженных дрожжах оказывается сильно пористым, грубым, невзрачным на вид и непригодным к употреблению. То, что заметная примесь плесневых дрожжей к прессованным дрожжам снижает ценность последних, таким образом доказано безусловно. Если даже и не обращают серьезного внимания на незначительную зараженность прессованных дрожжей плесневыми (на 10 - 15 %), хотя и здесь уже может сказаться отрицательное их влияние, то это еще не значит, что микодерму надо поощрять при производстве дрожжей. Общеизвестно, что заражение дрожжей микодермой распространяется очень быстро и энергично и что через несколько поколений она может взять перевес. В этом заключается главная опасность — и надо быть очень осторожным, работая с покупными дрожжами с повышенным содержанием плесневых дрожжей. Кроме плесневых дрожжей, прессованные дрожжи могут быть случайно загрязнены и всевозможными другими микроорганизмами, дрожжами, бактериями, плесневыми грибками. Они куда менее опасны, чем плесневые дрожжи, так как они редко встречаются в таких больших количествах, чтобы мешать дрожжам оказывать сбраживающее действие. Но они очень неблагоприятно влияют на прочность дрожжей, особенно уксуснокислые бактерии, бактерии хлопьевидной молочной кислоты и определенные плесневые грибки. Очень опасны картофельные палочки, так как из-за них хлеб заболевает картофельной болезнью. Но они сейчас в дрожжах встречаются очень, редко, так как они не переносят кислой среды, в которой разводятся дрожжи.

Что же касается искусственных примесей в дрожжах, то здесь надо опасаться двух возможностей: примесей пивных дрожжей или крахмала. Об них стоит поговорить подробнее, так как они играют или, вернее, играли в торговле дрожжами большую роль; обе примеси уже давно вполне справедливо запрещены. Пивные дрожжи, дешевый отход пивоваренного производства, очень схожи как родственный организм с дрожжами верхнего брожения и так же, как и последние, могут вызывать в тесте брожение; их очень усиленно употребляли для суррогатирования прессованных дрожжей. Тот факт, что прежде пивные дрожжи повсеместно употреблялись при приготовлении теста и еще и теперь применяются во многих местностях или в чистом виде, или в смеси с прессованными дрожжами, дал этой примеси как будто какое-то оправдание. Мы ни в коем случае не отрицаем, что пивные дрожжи, при известных условиях, могут быть применимы для сбраживания теста. Мы не говорим о пивных дрожжах верхнего брожения, близких к хлебопекарным дрожжам верхнего брожения и являющихся уже около столетия общеупотребительным бродильным средством. Дрожжи нижнего брожения могут иметь также такие формы, когда их можно употребить для брожения теста. Но, вообще, расценивать пивные дрожжи наравне со специально культивируемыми для этой цели хлебопекарными дрожжами (прессованными дрожжами) ни в коем случае нельзя. Уже внешне пивные дрожжи отличаются тем, что представляют собой массу, более темно окрашенную и с довольно резким, благодаря горечи хмеля, вкусом.

Прочность их незначительна, дрожжи легко разлагаются и, при дальнейшем потемнении, становятся мягкими. Господствующие в пекарнях высокие температуры особенно вредны для них. Их действие на тесто очень своеобразно. Сначала брожение идет хорошим темпом, особенно при холодном способе ведения. Это вполне понятно, так как пивные дрожжи сильно бродят, и в сахарном растворе сильнее, чем хлебопекарные: от 300 до 350 см3 углекислого газа в третьи полчаса брожения — не редкость. Но действие брожения не продолжительно. Уже после нескольких перебивок теста брожение уменьшается и в расстойке наблюдают большей частью совсем замедленный подход сформованного хлеба. В соответствии с этим ходом брожения тесто, сначала нормальное, становится влажным, оно делается мокрым, мажущим. Вследствие этого хлеб расплывается во время расстойки. В печи пивные дрожжи почти всегда оказываются совершенно непригодными. Столь необходимое для хорошего подъема хлеба брожение в печи отсутствует или проходит не полностью. Хлеб недостаточно поднимается, он остается плоским и сдавленным. Корка получается с разрывами, растрескавшаяся. Мякиш крупнопористый, грубый. Вкус и окраска дрожжей передаются мякишу, так что для высших сортов хлеба пивные дрожжи совершенно не годятся. При соединении с прессованными дрожжами эти недостатки, конечно, значительно смягчаются. Сильное начальное брожение, отличающее пивные дрожжи, делает небольшую примесь пивных дрожжей вполне полезной, так что во многих пекарнях их часто с успехом примешивают к прессованным дрожжам. Хотя предположение, что пивные дрожжи сильнее чем прессованные действуют на белок клейковины, еще не доказано опытами, но из предыдущих наблюдений его вполне можно вывести. Оно прекрасно объясняет плохое действие чистых пивных дрожжей (ослабление теста) и бывающее иногда благоприятным действие небольших примесей пивных дрожжей. Смягчение клейковины способствует даже ее растяжимости и, тем самым, у многих сортов муки лучшему подъему хлеба (мелкие хлебца). То, что пивные дрожжи не дают достаточно длительного для теста периода брожения, можно пожалуй объяснить в согласии с Дельбрюком тем, что пивные дрожжи  - это типичные холодные дрожжи, которые не переносят необходимых при хлебопечении более высоких температур, так же как и при определении бродильной силы в сахарном растворе более высокая температура дает снижение сбраживающего действия пивных дрожжей. Хлебопекарные же дрожжи, как типичные тепловые дрожжи, и при высокой температуре (40—45°) действуют еще вполне хорошо. Отсюда можно сделать вывод, что различное поведение дрожжей является особенностью их вида. Попытки превратить пивные дрожжи нижнего брожения в хорошие пекарные дрожжи, в виду большого хозяйственного значения этого мероприятия, производились неоднократно. Но эта задача еще до сих пор не разрешена. По крайней мере, обработка пивных дрожжей еще не дала нам ни разу хороших пекарных дрожжей.

Сущность и основные стадии технологического процесса производства дрожжей.

К важнейшим условиям естественного культивирования дрожжей относятся следующие:

1.    Высевание  по   виду и количеству.   Необходимо следить за тем, чтобы    высеваемое   количество   было правильно отмерено.  Основываясь на рентабельности,  оно  должно быть не большим,   но   не   должно   быть   ниже   известного   минимального уровня,  чтобы  предназначенный  для  размножения  организм уже заранее имел перевес над стремящимися  пользоваться тем же питательным   материалом   посторонними   организмами  или  их зародышами.

2. Питательная   среда, ее внешние (физические) и внутренние (химические) свойства. Как у высших растений очень важна механическая обработка  почвы и различные виды почв благоприятствуют   отдельным   растениям, так   и  у  микроорганизмов   имеют значение   различные   среды,   в  которых   они   будут   развиваться. Некоторые организмы предпочитают более твердые среды, другие - более рыхлые; также и степень   насыщенности питательной среды растворимыми  веществами (концентрация)  оказывает немаловажное   влияние   на   развитие   организмов.   Нужно только помнить о соответствующей их содержанию энзимов способности организмов использовать те или иные вещества. При необходимом наличии всех питательных веществ будут, разумеется, иметь одинаковое значение углеводы, азотистые вещества и минеральные вещества.

3.    Свет   и  воздух. Насколько известно, для низших организмов свет не имеет существенного значения.  Но облучение ультрафиолетовыми   лучами   оказывает   все-таки   какое-то   влияние   на  них (торможение).   Что  касается  воздуха, то в нем нуждается всякий организм,  создающий   в   процессе   дыхания   энергию;   тем самым он   является важным   фактором  при   разведении   чистых  культур таких микроорганизмов.

4.    Температура, которая оказывает большое влияние на рост высших растений, имеет особо решающее значение и для развития микроорганизмов.   Поддерживание   благоприятной   (оптимальной) для микроорганизмов температуры -  одно   из условий разведения чистых культур.

5.    Возбудители.  Хотя с ними  встречаются  и  при изучении высших растений, но главным образом при изучении низших микроорганизмов   встречаются  вещества, обладающие  свойством  вызывать заметное возбуждение и обусловливающие более интенсивную жизнедеятельность организмов. Такие "возбудители" очень полезны тогда, когда надо   возбудить   организм  для усиленной работы по борьбе с другим организмом. Они могут быть различных видов и оказывать различное действие в зависимости от того, обусловливают ли они,  являясь  особенно  легко   ассимилирующимися  субстанциями, энергичный    обмен    веществ     или,     не    изменяясь,     оказывают непосредственное   возбуждающее   действие,   механизм    которого еще  в общем  не  разъяснен. Эти последние - вещества,   которые обычно в больших дозах являются ядами для организма и убивают его, в мельчайших  же дозах  вызывают упомянутое раздражение, как например эфирные масла.

6.    Защитные  вещества. Защитными  веществами называют такие вещества, которые  могут защищать один организм от другого,   убивая   последний   или,   по   крайней   мере,   задерживая   его в его развитии. Но   эти  защитные  вещества  опасны и для защищаемого организма. Их действие основывается на том, что последний   переносит   их  в   больших  дозах, чем  враждебный   организм.

Интересно уже  упомянутое свойство  микроорганизмов самим образовывать эти вещества и именно в процессе их обмена веществ, называемом брожением. Так, например спирт (и углекислота) вредны для самих дрожжей, но они переносят их в больших количествах, чем   другие   микроорганизмы;   таким   образом   они   защищаются от последних   образованием   спирта.   С этой точки зрения и брожение   считается   специфическим,   не   только   предназначенным для  образования   энергии   процессом:   оно поддерживает, как мы видим, дрожжи в их борьбе с другими микроорганизмами, в борьбе за   существование.   Поэтому   зимазу   и   называют   борющимся энзимом  дрожжей. Итак мы видим, что  есть  целый ряд физиологических влияний, которые  могут  укреплять  организм  и тем  самым  поддерживать его род в чистоте. Далее мы узнали, что мы имеем в распоряжении целый ряд мер, чтобы — даже не исключая его полностью из окружающей среды и не защищая от поражения чуждыми организмами — возможно чище культивировать организм, а именно путем естественного разведения.

Разведение дрожжей из чистой культуры. Перед пуском завода дрожжи готовят из чистой культуры, которая поставляется из ВНИИПрБ в пробирках, закрытых ватной пробкой и залитых сургучом. При сбраживании зерно-картофельного и смешанного сусла из са­харистого и крахмалистого сырья могут применяться дрожжи XII, II, М, XV и других рас. Однако наибольшее, почти повсеместное рас­пространение имеет раса XII. Разведение чистой культуры дрожжей осуществляется путем их последовательного пересева с доведением объема среды до объема производственной дрожжанки или дрожжегенератора. Для ведения чистой культуры дрожжей используется сусло, при­готовленное из измельченного солода. Зрелые дрожжи» полученные в процессе размножения чистой культуры, должны быть упитанными, с высокой бродильной способ­ностью. Для размножения дрожжей может использоваться сусло, приго­товленное из различных зерновых культур. Сусло, предназначенное для выращивания дрож­жей, подкисляют серной кислотой или молочной, получаемой в про­цессе молочнокислого брожения. В холодное время года чистую культуру выращивают в пробир­ках на сусле-желатине, в теплое — на сусле-агаре, в последнем случае дополнительно высылается запаянная ампула со стерильным суслом, предназначенным для смывания дрожжей с поверхности сусла-агара. Операции по разведению чистой культуры дрожжей следует про­водить в отдельном чистом помещении при закрытых дверях и ок­нах. При отсутствии такого помещения (комнаты) эти операции мож­но проводить в переносном настольном боксе. Перед началом работы стол (бокс) протирают 60%-ным спир­товым раствором, тщательно моют руки, надевают чистый халат, протирают спиртом напильник, нож, ампулу с суслом и пробирку с культурой, предварительно освободив края ее от смолки чистым но­жом. Слегка ослабляют ватную пробку, поворачивая ее в пробирке, зажигают горелку и делают надрез напильником на тонком конце ампулы. Затем берут пробирку с культурой дрожжей и пинцет в одну руку, а ампулу с суслом — в другую. Держа ампулу все время на­клонно к огню концом, отламывают конец, постукивая пинцетом по нему, быстро обжигают ее края, и держа все время ампулу и пробирку наклонно около огня, вынимают пробку и переливают сусло в пробирку. Если отверстие ампулы мало (сусло не переливается), его следует расширить, обламывая края пинцетом, прокаленным в пламени горелки. После этого снова обжигают края пробирки и ам­пулы, переливают сусло и закрывают пробирку ватной пробкой, об­жигая ее внутренний конец на огне. Пробирку с суслом ставят на 2-3ч в термостат при 30ºС, когда сусло разбродится, смывают дрож­жи с поверхности агара, слегка вращая пробирку между ладонями. Сусло с дрожжами вблизи пламени горелки переливают из про­бирки в колбу вместимостью 1л, в которой находится 0,5л стерильного сусла с концентрацией СВ 10-12% по сахарометру. Перелив сусло с дрожжами, колбу закрывают предварительно обожженной ватной пробкой. При использовании дрожжей, выращенных на сусле-желатине, пробирку после освобождения от смолки помещают в водяную баню с температурой не выше 32-33°С и расплавляют желатин. После этого дрожжи вместе с желатином переливают из пробирки в колбу с 0,5л стерильного сусла с соблюдением вышеуказанных предосто­рожностей. Колбу с суслом и дрожжами помещают в термостат (во­дяную баню) при температуре 30ºС. Через 20-22 ч бродящее дрож­жевое сусло переливают в бутыль с 5л стерильного сусла с концентрацией СВ 12-15% по сахарометру, подкисленного до 0,8°, и поме­щают в термостат (водяную баню). По достижении концентрации СВ 4-5% по сахарометру содержимое бутыли переливают в дрожжанку с 5 дал сусла с концентрацией СИ 16—18% по сахарометру, имеющему кислотность 2° при приготовлении молочнокислых и 0,8° — сернокислых дрожжей. Брожение продолжается при 30°С в течение 24 ч. По достижении видимой плотности бражки 5—8% по сахаро­метру полученные дрожжи передают в производство. Очистка дрожжей. При наличии инфекции зрелые дрожжи отби­рают из дрожжанки в маточник, подкисляют серкой кислотой до 2,7—3,0° и выдерживают 30—40 мин, После такой обработки дрож­жи задают в дрожжевое сусло, кислотность которого в этом случае понижена на 0,1—0,2° по сравнению с обычной. После очистки расход засевных дрожжей увеличивают до 15—20%, а температуру складки повышают на 1—2ºС. Это - основы, на которых базируются при производстве дрожжей.

Лекция 3. Производство спирта. Субстраты, использующиеся в спиртовом производстве (зерно, картофель, сахарная свекла, меласса и др.). Сущность и основные стадии технологического процесса. Микроорганизмы, используемые в производстве спирта. Дрожжи – сахаромицеты, лактозосбраживающие дрожжи. Бактерии, используемые при производстве спирта.

Субстраты, использующиеся в спиртовом производстве (зерно, картофель, сахарная свекла, меласса и др.)

Сырье, применяемое для получения спирта, должно ежегодно воспроизводиться в количествах, достаточных для промышленной переработки, иметь высокое содержание крахмала или сахара и хорошо сохраняться, что обеспечивает экономическую целесооб­разность производства. Этим условиям удовлетворяют клубни кар­тофеля, зерно растений семейства мятликовых (злаков) и меласса. В соответствии с географическим положением и сложившейся структурой хозяйства в разных странах для производства спирта используют различные виды сырья. Даже в одной и той же стране в те или иные годы набор сырья зависел от изменений в потреблении, от конъюнктурных и других факторов.

Картофель. Из всех видов растительного пищевого сырья картофель в наибольшей степени соответствует технологическим требованиям спиртового производства. Из картофеля с единицы посевной площади получают в 3...4 раза больше крахмала по сравнению с зерном. Картофельный крахмал быстрее разваривается, образует­ся подвижное сусло, в нем содержатся азотистые и фосфорные вещества в количестве, достаточном для питания дрожжей, из него получают самый высокий выход спирта. При переработке картофеля производительность завода на 10% больше, чем при переработке зерна, а расход топлива на 12% меньше, ниже себестоимость спирта.

К недостаткам картофеля как сырья для выработки спирта относятся значительная трудоемкость возделывания, плохая со­храняемость из-за высокого содержания влаги и легкой подвер­женности заболеваниям и невыгодность транспортирования на далекие расстояния.

Зерновые культуры. На спирт перерабатывают любое зерно, в том числе и не­пригодное для пищевых и кормовых целей. Ежегодный объем переработки составляет (%): пшеницы 50 (преимущественно дефектной), ячменя 20, ржи 12, кукурузы 8, проса 5, овса 2 и прочих культур (гречихи, вики, гороха, риса и др.) 3. Для приготовления солода употребляют кондиционное высококаче­ственное зерно.

Кукуруза. Из зерновых культур лучшим сырьем для произ­водства спирта является кукуруза (Zea mays). В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожай­ность кукурузы в 2...3 раза выше урожайности других зерновых культур. В зависимости от формы зерна и степени развитости роговид­ной части эндоспермь кукурузу подразделяют на 7 ботанических групп: кремнистая, зубовидная, крахмалистая, восковидная, ло­пающаяся, сахарная, чешуйчатая. Для производства спирта пред­почтительнее легко развариваемая крахмалистая и зубовидная кукуруза.

Рожь, пшеница, ячмень и овес. Рожь (Secale), пшеница (Triticum), ячмень (Hurdeum) и овес (Avena) широко возделываются в России: рожь (преимущественно озимая) — в северных, северо-западных и центральных районах, во многих районах Си­бири и Урала; пшеница — в Западной и Восточной Сибири, Поволжье; ячмень (преимущественно яровой) и овес — повсе­местно — от субтропиков до Заполярья. В небольших количествах перерабатывают крупяные культу­ры — просо, гречиху и рис, некоторые продовольственные (горох) и кормовые (вику).

Меласса. Мелассой называют последний маточный раствор — оттек, получающийся при отделении кристаллов сахарозы на центрифу­гах. В мелассе содержатся несахара сока сахарной свеклы или сахарного тростника, не удаляемые при его химической очистке, и сахароза, которую выделять классическим методом кристалли­зации уже экономически невыгодно. При выработке сахара из свеклы выход мелассы в расчете на безводную колеблется от 3,5 до 5 % от ее массы. С мелассой отходит от 10 до 15 % всего сахара, содержащегося в перерабатываемой свекле. В соответствии с видом исходного сырья для производства сахара различают свекловичную и тростниковую мелассу. В нашей стране сахарный тростник не произрастает, но на сахар­ных заводах после свеклы на белый сахар перерабатывают им­портный сахар-сырец. Получаемую при этом мелассу называют сырцовой. Меласса представляет собой густую вязкую жидкость темно-коричневого цвета со специфическим запахом карамели и меланоидинов; свекловичная меласса имеет еще и запах триметиламина и других летучих аминов, образующихся при разложении бетаина. Для спиртового преизводства меласса — наилучшее сырье. Ценность ее заключается в том, что наряду с высоким содержани­ем сахара в ней находятся все вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности дрожжей. При переработке мелассы упрощается технологическая схема, так как исключаются опера­ции разваривания сырья и осахаривания крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов. В мелассном сусле отсутст­вуют декстрины и неосахаренный крахмал, поэтому оно быстрее сбраживается, при этом уменьшаются потери сбраживаемых угле­водов и увеличивается выход спирта в пересчете на условный крахмал, снижается себестоимость спирта и возрастает производи­тельность труда. Из мелассной барды можно получать большой ассортимент ценных для народного хозяйства продуктов.

Вода. На спиртовых заводах вода расходуется на разные цели, глав­нейшие из которых технологические, а также на питание паро­вых котлов. В технологических процессах вода необходима для разваривания зерна, приготовления мелассных растворов, зама­чивания зерна при солодоращении и поливке солода, приготов­ления солодового молока, а также для охлаждения продуктов и полупродуктов. Во всех этих случаях химический состав воды существенно влияет на ход технологических процессов. К воде для технологических целей предъявляют те же требо­вания, что и к питьевой воде. Жесткость ее не должна превы­шать 7 мгэкв/л. Природную воду, не удовлетворяющую этим требованиям, подвергают исправлению: фильтрации через квар­цевый песок, иногда с коагуляцией коллоидных примесей, обез­зараживанию хлором, а в необходимых случаях и умягчению содово-известковым или ионитовым способом. Особенно нежелательна для производства вода с большой жесткостью. Для проведения всех технологических процессов требуется слабокислая реакция среды (рН 4,5...5,5). Так, крах-малсодержащее сырье разваривается тем быстрее и полнее, чем ниже рН. При рН 4,5.. 5,5 крахмал скорее осахаривается амило-литическими ферментами; рН 5...5,5 наиболее благоприятен для спиртового брожения. Нейтральная и слабощелочная реакции среды способствуют развитию кислотообразующих бактерий. В щелочной среде при брожении может образовываться глицерин. Хотя в зерне и картофеле имеется значительное количество буферных веществ и при их разваривании кислотность повыша­ется, все же избыток гидрокарбонатов кальция и магния вреден, так как смещает рН разваренной массы в сторону повышения, вплоть до нейтральной реакции. Кроме того, гидрокарбонаты кальция, вступая в реакцию обменного разложения с фосфатами сырья, переводят их в нерастворимые соединения, не доступные для дрожжей. При чрезмерно высокой временной жесткости воды, употреб­ляемой для замачивания солодового зерна, задерживается его прорастание, а также снижается амилолитическая активность со­лодового молока. При большой карбонатной жесткости воды увеличивается расход серной кислоты для подкисления мелассы. В воде с кальциевыми и магниевыми солями серной, соляной и азотной кислот повышается кислотность разваренной массы, и с этой точки зрения какие соли полезны. Они способствуют также стабилизации амилазы в процессе осахаривания. В связи с этим при разваривании зерна очень жесткую воду приходится подкислять серной кислотой или фильтратом барды, а воду, идущую на замачивание зерна и приготовление солодового моло­ка, подкислять серной кислотой уже при жесткости 8 мгэкв/л.

Вспомогательные материалы, источники дополнительного питания для дрожжей. Содержащегося в мелассе фосфора, а нередко и азота недо­статочно для нормальной жизнедеятельности дрожжей, поэтому в нее добавляют в качестве первого источника ортофосфорную кислоту, в качестве второго источника — сульфат аммония, кар­бамид (мочевину) или диаммонийфосфат, содержащий оба эле­мента.

Биостимуляторы в спиртовой промышленности применяют для ускорения проращивания зерна и повышения ферментатив­ной активности солода. Сильнейшим стимулятором является гибберелловая кислота, или гиббереллин А₃ — производное гибберена. Гиббереллин — белый или слегка желтоватый кристаллический порошок, плохо растворимый в воде, хорошо — в спирте. При нагревании гиббереллии быстро разрушается и теряет биологичес­кую активность. Фасуют его в стеклянные банки по 1, 3, 5 кг, хранят в темном месте ппи температуре не выше 10 °С в течение не более года. Из гибберелаина готовят исходный (основной) водно-спиртовой раствор (1 г гиббереллина растворяют в 20 мл спирта и доводят водой до объема 1 л), который добавляют в воду, идущую для полива прорастающего в солодовне зерна. Исходный раствор не рекомендуется хранить больше суток.

Кислоты, используемые для подкисления сусла. Для подкисления дрожжевого сусла в производстве спирта из крахмалсодержащего сырья применяют серную кислоту, для под­кисления мелассного сусла — серную или соляную кислоту.

Моющие и антимикробные вещества. В производстве спирта для мойки оборудования и подавления вредной микрофлоры применяют моющие и антимикробные сред­ства. Из первых используют традиционные каустическую и каль­цинированную соду, из вторых — хлорную известь, антиформин и формалин. Разделение этих веществ на две группы условно, в большинстве из них моющее действие сопровождается антимик­робным, и наоборот. Все большее применение находят синтети­ческие моющие средства (CMC) с антимикробным действием.

Пеногасители. Для гашения пены применяют поверхностно-активные веще­ства, главным образом жиры, масла и продукты их гидролити­ческого расщепления — высокомолекулярные жирные кислоты.

Сущность и основные стадии технологического процесса.

Сырьем для процессов спиртового брожения могут быть разнообразные биомассы, включая крахмалсодержащие (зерно, картофель), сахаросодержащие материалы (меласса, отходы деревоперерабатывающей промышленности), а также биомасса специально выращенных пресноводных и морских растений и водорослей. Процесс складывается из нескольких стадий, включающих:

1. очистка и подготовка сырья;

2. водно-тепловая обработка сырья;

3. осахаривание разваренной массы и охлаждение сусла;

4. приготовление засевной культуры дрожжей;

5. сбраживание сусла;

6. перегонка бражки и ректификация спирта.

Очистка и подготовка сырья. Все зерновые культуры, поступающие в производство, очищают от пыли, земли, камней, металлических и других примесей на зерновых и электромагнитных сепараторах (магнитных колонках) и зерноочистительных машинах, имеющих магнитные устройства. Зерно после очистки из­мельчают на молотковых дробилках или размалывают на вальцовых станках. Картофель окончательно отмывают от земли и отделяют камни, солому, ботву и другие примеси в специальных аппаратах — мойках. При водно-тепловой обработке картофеля по непрерывной схеме его измельчают на молотковых дробилках или картофелетерках.

Водно-тепловая обработка сырья. Зерно (картофель) после очистки (мойки) и взвешивания подвер­гается водно-тепловой обработке непрерывным, полунепрерывным или периодическим способом с целью полного разрушения клеточной структуры сырья и растворения крахмала.

Осахаривание разваренной массы. Приготовление осахаривающих материалов. Осахаривающие ма­териалы — солодовое молоко и микробные ферментные препараты — содержат амилолитические ферменты, которые гидролизуют крахмал разваренной массы до сбраживаемых сахаров. Одновременно под действием протеолитических ферментов протекает гидролиз белков. При приготовлении солодового молока готовый солод предварительно промывают водой для удаления загрязнений, а затем обрабатывают хлорной известью или формалином. Для более полного извлечения ферментов и лучшего растворения крахмала солод измельчают на вальцовых, дисковых или молотковых дробилках. Измельченный солод поступает в чан для приготовления солодового молока, где он смешивается с водой. Осахаривающие материалы из препаратов ферментов микробного происхождения готовят из жидкой культуры плесневых грибов, концентрированных и сухих препаратов. Технология непрерывного осахаривания. Разваренная масса из выдерживателя непрерывно поступает в осахариватель, куда одновре­менно подается осахаривающий материал, Солодовое молоко или сус­пензия (раствор) ферментных препаратов дозируется пропорциональ­но количеству разваренной массы, поступающей на осахаривание. На спиртовых заводах непрерывное осахаривание проводят в одну или две ступени. При осахаривании в одну ступень все необ­ходимое количество осахаривающего материала задается только в осахариватель, при двухступенчатом в осахариватель добавляют 30% всего солодового молока а остальные 70% подают в трубопровод перед продуктовым насосом. Дозирование солодового молока в осахариватель осуществляется ротационными и плунжерными (скальчатыми) насосами. В осахаривателе поддерживают температуру массы 57-58°С при одноступенчатом и 60-61°С при двухступенчатом осахаривании. Продолжительность пребывания массы в осахаривателе не менее 10 мин, на второй ступени — 2-5 мин. При использовании для осахаривання микробных ферментных препаратов, выращенных глубин­ным способом, в осахаривателе поддерживают температуру 55-58°С и 57-58°С при осахаривании крахмалистой массы поверхностными культурами плесневых грибов или их смесью с солодом. Из осахаривателя сусло непрерывно перекачивают насосом через теплообменник в бродильный чан. В теплообменнике сусло охлажда­ется до температуры складки, принимаемой в зависимости от дли­тельности брожения 24-25°С при двухсуточном, 18-20°С при трех­суточном периодическом брожений и 22-24°С при непрерывно-поточном и циклическом способах брожения. При непрерывном осахаривании с вакуум-охлаждением для ох­лаждения массы под вакуумом используются специальные установки. Разваренную массу до поступления ее в осахариватель пропускают через испаритель, в котором температура массы снижается до 62-63°С, так как разрежение в ней составляет 0,080-0,081МПа. Ох­лажденная масса из испарителя поступает в осахариватель, где, сме­шиваясь с солодовым молоком, мгновенно охлаждается до 57-58° С, осахаривается в течение не менее 10 мин и далее подается через теп­лообменник в бродильный чан. Для предварительного разжижения разваренной массы в продуктовую трубу, соединяющую паросепаратор с испарителем, из осахаривателя отводится 10-15% сусла. Охлаждение сусла (осахаренной массы) до температуры склад­ки проводят в теплообменниках оросительных или типа «труба в трубе». При двухступенчатом вакуум-охлаждении температура разваренной массы, поступающей из жаросепаратора, снижается со 102-108°С до 25-22°С за счет вакуума, создаваемого в испарительных камерах I и II ступени. Охлаждение разваренной массы и сусла через поверхности теплообмена полностью исключается. Весь процесс ох­лаждения происходит в замкнутой системе. Поступающая из паро-сепаратора масса мгновенно охлаждается в испарителе I ступени до температуры 62—63°C за счет разрежения 0,080—0,081 МПа. Охлажденная масса непрерывно поступает в осахариватель, куда также непрерывно подается осахаривающий материал. Продолжитель­ность осахаривания не менее 10 мин при температуре 56—58° С. Сус­ло из осахаривателя подается в испаритель II ступени, где происходит мгновенное его охлаждение до температуры 22—25° С за счет разрежения 0,093—0,099 МПа. Охлажденное сусло поступает в сборник, откуда насосом подается в бродильный чан.

Сбраживание зерно-картофельного сусла. Типовая аппаратура, применяемая для сбраживания зерно-картофельного сусла непрерыв­ным способом, состоит из двух дрожжанок, возбраживателя и бата­реи бродильных чанов с двумя головными чанами. Вместимость каж­дой дрожжанки составляет 25—30% от вместимости возбраживателя, в свою очередь его вместимость составляет 30—40% от вместимости головного чана. Для обеспечения самотека дрожжанки устанавливают над возбраживателем, а последний — «ад батареей бродильных чанов, при­чем верхний край цилиндрической части головных чанов должен быть на 1м выше, чем у остальных чанов. Бродильные чаны соединяются друг с другом переточными трубами, позволяющими массе перели­ваться из чана сверху, а поступать в следующий по потоку чан сни­зу. В первых 3-4 бродильных чанах протекает главное брожение, а в остальных — дображивание. Дрожжанки и возбраживатель обо­рудуются мешалками и змеевиками для охлаждения бродящей среды. В начале производственного сезона дрожжи в дрожжанках при­готовляют из чистой культуры. Готовые зрелые дрожжи из первой дрожжанки переводят в возбраживатель, освобождающуюся дрож­жанку промывают, пропаривают и после охлаждения заполняют суслом. Сусло пастеризуют при температуре 80°С в течение 30 мин, охлаждают до 30°С и подкисляют до 0,7—1,0° (рН среды 3,6—3,8). Затем в первую дрожжанку отбирают засевные дрожжи из второй дрожжанки, остаток дрожжей из которой спускают в возбражива­тель, одновременно открывая в него приток охлажденного сусла. Вторую дрожжанку после опорожнения промывают, пропаривают и заполняют суслом, обрабатывая его вышеописанным способом. Если кислотность сбраживаемой среды после заполнения воз­браживателя ниже 0,4—0,5°, то ее подкисляют серной кислотой до этой величины и оставляют на брожение. При концентрации сухих веществ 5—6% по сахарометру дрожжи (концентрация дрожжевых клеток в дрожжевой массе, поступающей из возбраживателя, должна быть не менее 90—100 млн./мл) пере­дают в первый головной бродильный чан, одновременно направляя в него сусло. Первый и второй чаны работают последовательно, при этом дрожжи подают только в первый чан. После заполнения чана сбраживаемая среда по переточной трубе переходит во второй, за­тем в последующие чаны батареи. В первом чане проходит главное брожение, при этом концентрация дрожжевых клеток в сбраживае­мой среде должна находиться в пределах 80—100 млн./мл. Для обеспечения непрерывности поступления сусла и предупреж­дения развития посторонней микрофлоры следует иметь две парал­лельные линии для подачи сусла и солодового молока, которые сте­рилизуются поочередно. Если же работа осуществляется только на одной линии, то ее необходимо стерилизовать ежесуточно. Стерилизация чанов бродильной батареи проводятся поочередно, но с разными сроками для головных и остальных чанов. После осво­бождения первых двух бродильных чанов (обычно через 24—30 ч от начала залива), что достигается перекачиванием насосом сбраживае­мой среды в последующие чаны, их ополаскивают чистой водопровод­ной водой, следя, чтобы на змеевиках и стенках не было остатков бражки, после чего без стерилизаций вновь заполняют дрожжами и суслом. Стерилизацию этих чанов проводят через каждые 48—60ч. Когда первый чан освобождается, промывается и стерилизуется, по­ток сусла направляют во второй чан. Остальные бродильные чаны стерилизуют через 60—72 ч, при этом сбраживаемая среда предва­рительно перекачивается насосом в последующие чаны.

При нарушении режима работы первого головного бродильного чана, когда не обеспечиваются надлежащие условия размножения дрожжей и поддержания концентрации дрожжевых клеток, необ­ходимо уменьшить поступление в него сусла, увеличить объем за­даваемых дрожжей или перейти на двухпоточное осахаривание при непрерывном брожении. Для обеспечения нормального перетока сбраживаемой среды по чанам батареи диаметры переточных труб должны соответствовать диаметрам дисковых затворов, изменяясь в зависимости от произво­дительности завода в следующих пределах:

Производительность, дал/сут 1000 3000 4000 8000

Диаметр трубы, мм 200 300 350 -400

Температура в первом чане во время главного брожения должна, составлять 26-27°С, во втором - 28, в третьем - 29-30 и в по­следующих чанах - 27-28ºС. Процесс брожения заканчивается за 60 ч, считая от начала притока сусла в головной бродильный чан до начала перегонки. В целях интенсификации процесса размножения дрожжей поток разваренной массы делят на две части и к каждой из них прибав­ляют непропорционально разделенное количество осахаривающих ма­териалов, например ²/₃ и ¹/₃ солодового молока или 5,25 и 1,75 ед. ГлА на 1г. крахмала. Первый поток, содержащий ²/₃ солодового молока (150% нормы), направляется в первый головной бродильный аппарат, второй поток — ¹/₃ или 50% нормы, во второй аппарат. В остальных аппаратах батареи находится 100% нормы осахариваю-щего материала при нормальном расходе солодового молока на всю батарею. Могут быть и другие соотношения между количеством раз­варенной массы и осахаривающего материала, при которых в первом головном аппарате достигается 200% его нормы, а в остальных по 100% при нормативном расходе в целом на осахаривание. Интенси­фикация брожения сопровождается увеличением производительности батареи на 25—30%.

Для интенсификации брожения применяют также рециркуляцию биомассы дрожжей или сбраживаемой среды из третьего и четверто­го бродильных аппаратов в первый. Это позволяет повысить концен­трацию дрожжевых клеток в рециркуляционном контуре и увели­чить скорость разбавления в нем. Рециркуляцией сбраживаемой сре­ды и биомассы дрожжей достигается стабилизация технологических показателей и осахариванкя, так как при этом увеличиваются поверх­ность контакта дрожжей и обрабатываемого сусла, а также контакт между ферментами осахариваюших материалов и субстратом. Рецир­куляцией достигается совмещение лаг-фазы и экспоненциальной фазы роста дрожжей, что ведет к сокращению продолжительности броже­ния. Особенно резко сокращаются периоды возбраживания и дображивания и за этот счет увеличивается период главного брожения. Сбраживание сусла при переработке дефектного сырья. Сбраживание сусла, приготовленного из пораженного гнилью картофеля, следует проводить в смеси с суслом, полученным из нормального сырья, которое подается в бродильный чан в начале залива вместе с дрожжами. При отсутствии нормального сырья допускается перио­дическое сбраживание сусла из картофеля, пораженного гнилью, при следующем режиме заполнения бродильных чанов.

Одновременно заполняют два или три чана, спуская сначала в каждый бродильный чаи все дрожжи и двойное количество сусла. Второй долив сусла в количестве 30% от вместимости каждого чана осуществляют в момент активного размножения дрожжей. В третий раз бродильные чаны заполняются суслом полностью. Сбраживание сусла, полученного из зерна третьей и четвертой степеней дефектности» производится, как правило, в смеси с суслом, полученным из зерна и картофеля нормального качества или зерна первой и второй степеней дефектности. Самостоятельно сбраживать такое сырье разрешается лишь в случае полного отсутствия лучшего сырья.

При переработке смеси бродильные чаны сначала заполняются дрожжами и суслом нормального качества, а затем приливается сусло из остро-дефектного сырья. Если на заводе перерабатывается зерно первой и второй степе­ней дефектности, например зерно, перезимовавшее в поле, то рекомен­дуется сбраживать его в смеси с нормальным сырьем в количестве до 30%.

При этом режимы приготовления дрожжей и брожения не отличаются от обычных, принятых для нормального сырья. Барду, полученную после переработки на спирт перезимовавшего в поле зерна, можно скармливать скоту по разрешению органов ветеринарной службы. Ректификованный спирт и диоксид углерода можно использо­вать для пищевых целей. Качественные показатели зрелой бражки. Нормативными пока­зателями зрелой бражки являются кислотность, количество несброженных углеводов и крепость. Нарастание кислотности зрелой браж­ки при нормальных условиях производства не должно превышать 0,15—0,20°; содержание несброженных растворимых углеводов — 0,25 г на 100 мл при отличной работе, 0,35 — при хорошей и 0,45г на 100 мл—при удовлетворительной работе; количество нерастворенного крахмала может колебаться от 0,03 до 0,2%; содержание спирта должно составлять 8,0—8,5% об.

Схема получения этилового спирта

Перегонка бражки и ректификация спирта. Перегонку бражки осуществляют на брагоперегонных и брагоректификационных установках, В первом случае из бражки получают спирт-сырец, во втором — бражный дистиллят. Спирт-сырец является товарным продуктом, крепость и ка­чественные показатели которого регламентированы ГОСТ 131-67. Бражный дистиллят представляет собой конденсат вод­но-спиртовых паров и примесей этанола. В зависимости от содержания спирта в исходной бражке, расхода пара на перегонку и других условий ведения процесса крепость бражного дистиллята колеблется в пределах 35-65% об. Ректификация — процесс очистки спирта-сырца или бражного дистиллята от примесей и укрепления спирта. Ректификованный спирт получают на брагоректификацнонных установках различной конструкции, В спиртовой отрасли промышленности в качестве типовых приняты брагоректифнкационные установки косвенного действия. Технологический процесс в них ос кован на последовательности перетока жидкостного потока из колонны в колонну и сопровождается следующими операциями: в бражкой колонне — перегонка бражки и получение спирта-сырца (бражного дистиллята); в эпюрационной колонне — эпюрация спир­та-сырца, концентрирование я выделение из него головных примесей; в ректификационной колонне — укрепление и пастеризация спирта» вывод компонентов сивушного масла из зон их концентрирования; в колонне окончательной очистки — повторная очистка ректифико­ванного спирта.

Кроме ректификованного спирта, головной фракции и сивуш­ного масла при перегонке бражки и ректификации спирта образуются барда и лютерная вода, являющиеся отходами спиртового производ­ства, а также полупродукты ректификации — непастеризованный и сивушный спирты, которые отбираются и направляются на повтор­ную очистку.

Микроорганизмы, используемые в производстве спирта. Дрожжи – сахаромицеты, лактозосбраживающие дрожжи, бактерии, используемые при производстве спирта.

Дрожжи, используемые для получения спирта, относятся в основном к роду Saccharomyces. Систематика рода Saccharomyces неоднократно подвергалась пересмотру, номенклатура видов часто изменялась в зависимости от позиций авторов, придерживающихся тех или иных концепций в систематике дрож­жей.

В последнем руководстве по дрожжам (N. Kreger-van-Rij, 1984) к роду Saccharomyces отнесено семь видов, размножающихся вегетативно преимущественно в диплоидной фазе:

S acch. cerevisiae, Sacch. kluyveri, Sacch. exiguus, Sacch. dairensis, Sacch. servazzii, Sacch. tellustris, Sacch. unisporus. Как синонимы Sacch. cerevisiae рассматриваются Sacch. bayanus, Sacch. carlsbergensis и ряд других промышленно важных дрожжей.

Рисунок 1. Saccharomyces cerevisiae

Наибольшее значение имеет Sacch. cerevisiae. К этому виду относятся расы дрожжей, используемые в хлебопечении, спирто­вом производстве, пивоварении, виноделии, производстве кваса. Поэтому приводим характеристику вида.

Saccharomyces cerevisiae Hansen. На солодовом сусле в трехсуточной культуре при 28 °С клетки имеют сферическую, эллипсоидальную или несколько удлиненную формы; располага­ются единично или парами, иногда образуют короткие цепочки или мелкие грозди (рис. 3). В зависимости от размера клеток штаммы этого вида можно разделить на три морфологические группы. К первой группе относятся штаммы, имеющие самые крупные клетки (3,5-10,5  5,0-21,0 мкм), ко второй - с наимень­шими (2,5- 7,0  11,0-19,0 мкм), к третьей - промежуточные (3,5-8,0  5,0-11,5-18,0 мкм). Некоторые штаммы образуют удлиненные клетки, достигающие 30 мкм и более. Колонии у этих дрожжей пастообразные, кремовые или корич­невато-кремовые, обычно с довольно ровной, гладкой, иногда слегка пузырчатой или покрытой точками поверхностью, с блес­тящими или тусклыми секторами. Край колоний цельный, иногда лопастный, изредка образуется примитивный псевдомицелий. Аскообразование легко вызвать при высеве дрожжей на агар с ацетатом. Аски обычно содержат от одной до четырех спор шаровидной или эллипсоидальной формы. Сбраживает глюкозу, галактозу, сахарозу, мальтозу и на '/з раффинозу. В аэробных условиях использует глюкозу, галактозу, сахарозу, мальтозу, на '/з раффинозу. Способность к использованию L-сорбозы, трегалозы, мелецитозы, инулина, L-арабинозы, D-рибозы, глицерина, D-маннита, D-сорбита, -метил-О-глюкозида и молочной кислоты варьирует. Не ассимилирует целлобиозу, лактозу, мелибиозу, крахмал, ксилозу, D-арабинозу, L-рамнозу, эритрит, рибит, дульцит, салицин, янтарную и лимонную кислоты, инозит. Не использует в качестве источника азота NO₃^-. Штаммы имеют различ­ную способность расти на средах в отсутствие витаминов. В странах Африки для получения алкогольных напитков ис­пользуют делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces (S. pombe и S. octosporus). В пищевой промышленности дрожжи, не принадлежащие к сахаромицетам, играют, как правило, отрицательную роль, нару­шая ход технологического процесса и вызывая порчу сырья и го­товой продукции.

Штаммы Sacch. cerevislae подразделяют на расы низового и верхового брожения. К расам низового брожения относится большинство винных и пивных дрожжей, к расам верхового - спиртовые, хлебопекарные и некоторые пивные. Дрожжи низово­го брожения функционируют в производстве при температуре 6 - 10°С и ниже (до 0°С), а верхового - обычно при 14 - 25 °С. В конце брожения низовые дрожжи оседают на дно, форми­руя плотный осадок, верховые - всплывают на поверхность и об­разуют «шапку». Способность последних подниматься на поверх­ность обусловлена тем, что клетки после почкования остаются соединенными в небольшой цепочке; пузырьки углекислого газа поднимают их на поверхность. Оба свойства, однако, не абсо­лютны.

По поведению в бродящей среде дрожжи разделяют также на хлопьевидные и пылевидные. В основе этого разделения лежит различие в их флокуляционных свойствах (флокуляция - обра­тимая агрегация, или агглютинация, клеток). Хлопьевидные дрожжи в конце брожения слипаются в комки («флокулы») и либо оседают на дно, либо поднимаются на поверхность. Пылевидные дрожжи в течение всего процесса бро­жения находятся во взвешенном состоянии. Флокулируют дрож­жи как низового, так и верхового брожения. Клетки хлопьевид­ных дрожжей крупнее и тяжелее, чем пылевидных; последние особенно подвержены автолизу. Пылевидные дрожжи дают мень­ший прирост биомассы, но обладают более высокой бродильной активностью и полнее сбраживают сусло, образуют больше диацетила и высших спиртов. Хлопьевидные дрожжи лучше создают аромат напитков. Способность дрожжей к хлопьеобразованию не является стойким признаком, и штаммы могут ее постепенно утрачивать.

Лекция 4. Пивоварение. Дрожжи, использующиеся в пивоварении. Биохимические основы процесса сбраживания пивного сусла. Сущность и основные стадии технологического процесса.

Дрожжи, использующиеся в пивоварении

Дрожжи пивные. Дрожжи применяют в пивоварении в виде густой массы, состоящей из миллиардов дрожжевых клеток, существующих независимо друг от друга. Эти клетки имеют форму от овальной до круглой, размером по длине от 8 до 10 мкм и ширине - от 5 до 7 мкм. Пивные дрожжи относятся к культурным расам, существующим только в производствах и созданным человеком. Дрожжи, применяемые в пивоварении, подразделяются на расы, отличающиеся друг от друга по характеру роста на питательных средах, размеру и форме клеток, степени сбраживания сахаров и т.д. В пивоварении применяются дрожжевые грибы вида Saccharomyces cerevisiae, которые являются одноклеточными микроорганизмами, способными сбраживать сахара пивного сусла в спирт. Однако пивные дрожжи не только осуществляют спиртовое брожение, но за счет продуктов метаболизма (обмена веществ) в значительной степени влияют на вкус и аромат пива. Пивные дрожжи должны быть микробиологически чистыми, сильно и быстро сбраживать сусло, а также обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно и давать прозрачный напиток с определенным вкусом и ароматом. Химический состав дрожжей зависит от расы, питательной среды и физиологического состояния дрожжей. В состав сухого вещества дрожжей входит (в %): - азотосодержащие вещества- 35-65 - безазотистые экстрактивные вещества -20-63 - жиры – 2-5 - минеральные вещества 5-11. В дрожжах содержатся ряд веществ, имеющих важное физиологическое значение, это рибофламин (витамин В2), витамин В1, витамин РР (никотиновая кислота), витамин В₆ (пиридоксин), витамин С, биотин, инозит, пантотеновая кислота, витамин Е, глютатион, цистеин и др.

Биохимические основы процесса сбраживания пивного сусла

Ферментативная диссимиляция углеводов в анаэробных усло­виях, происходящая с выделением энергии и приводящая к об­разованию продуктов неполного окисления, называется броже­нием. В этом процессе акцептором водорода служат органичес­кие соединения, получающиеся в реакциях окисления (например, уксусный альдегид при спиртовом брожении); кисло­род в этих реакциях не участвует.

1.Образуются фосфорные эфиры сахаров. Под действием фермента гексокиназы и адениловых кислот, являющихся донорами и акцепторами фосфорной кислоты, глюкоза превращается в глюкопиранозо-6-фосфат. Адениловые кислоты в дрожжах содержатся в виде аденозинмонофосфата (АМФ), аденозиндифосфата (АДФ) и аденозичтрифосфата (АТФ). Гексокиназа катали­зирует перенос одной фосфорной группы с АТФ на глюкозу. При этом АТФ превращается в АДФ, а остаток фосфорной кис­лоты присоединяется но месту шестого углеродного атома. Дей­ствие фермента активируется ионами магния. Подобным образом происходит превращение D-фруктозы и D-маннозы. Глюкокиназная реакция определяет скорость процесса брожения.

2. Глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкозофосфатизомеразы подвергается изомеризации — превращению в фруктозо-6-фосфат. Реакции обратима и сдвинута в сторону фруктозо-6-фосфата.

Схема химических превращений при спиртовом брожении глюкозы.

3.Фруктозо-6-фосфат под действием фермента фосфофруктокиназы присоединяет по месту первого углеродного атома второй остаток фосфорной кислоты за счет АТФ и превращается в фруктозо-1,6-дифосфат. Эта реакция практически необратима. Молекула сахара переводит в оксоформу и становится лабильной, способной к дальнейшему превращению, так как ослабляется связь между третьим и четвертым углеродными атомами.

4.Под действием фермента альдолазы (активируемой ионами Zn²⁺, Co²⁺ и Са²⁺) (]руктозо-1,6-дифосфат распадается на две фосфотриозы — 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацеток. Эта реакция обратима.

5.Между фосфотриозами происходит реакция изомеризации, катализируемая ферментом триозофосфатизомеразой. Равновесие устанавливается при 95% 3 фосфоглицеринового альдегида и 5 % фосфодиоксиацетона.

6.В индукционный период, пока в качестве промежуточного продукта не образовался уксусный альдегид, между двумя молекулами 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента альдегидмутазы при участии молекулы воды происходит реакция дисмутации. При этом одна молекула фосфоглицеринового альдегида восстанавливается, образуя фосфоглицерин, другая окисляется в 3-фосфоглицериновую кислоту, Фосфоглицсрин в дальней­ших реакциях не участвует и после отщепления фосфорной кисло­ты является побочном продуктом спиртового брожения.

При установившемся процессе окисление 3-фосфоглицерино-вого альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту происходит сложным путем. Вначале он превращается в 1,3-дифосфоглицериновый альдегид, присоединяя остаток неорганической фос­форной кислоты, затем под действием фермента гриозофосфат дегидрогеназы в присутствии НАД (никотинамидадениндинуклеотида) окисляется в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. НАД, вступая в соединение со специфическим белком, образует анаэ­робную дегидрогеназу, обладающую способностью отнимать во­дород непосредственно от фосфоглицеринового альдегида и других органических соединений.

7. При участии фермента фосфотрансферазы остаток фосфорной кислоты, содержащий макроэргическую связь, передается с 1,3-дифосфоглицериновой кислоты на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Энергия, освобождающаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида, резервируется в АТФ.

8.Под действием фермента фосфоглицеромутазы 3-фосфоглицериновая кислота мзомеризуется в 2-фосфоглицериновую кис­лоту.

9.В результате смдачи воды, вызываемой перераспределением внутримолекулярной энергии, 2-фосфоглицериновая кислота превращается в фоэнолпировиноградную кислоту, содержа щую макроэргическую связь. Реакцию катализирует энолаза, активируемая ионами Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺. Максимальное действие энолазы проявляется в интервале рН 5,2...5,5. При рН 4 2 молекулы энолазы агрегируются, при рН 3...4 необратимо денатурируются.

10. Под действием фермента фосфотрансферазы в присутствииионов К⁺ остаток фосфорной кислоты передается от фосфоэнолпировиноградной кислоты на АДФ, резервируя энергию в АТФ.

11. Образовавшаяся энолпировиноградная кислота превращается в более стабш, иную кетоформу.

12. Под действием фермента карбоксилазы от пировиноградной кислоты отщепляется диоксид углерода и образуется уксусный альдегид.

13. Фермент алкогольдегидрогеназа переносит водород с восстановленного НАД Н₂ на уксусный альдегид, в результате чего образуется этиловый спирт и регенерируется НАД.

Сущность и основные стадии технологического процесса.

Основные этапы приготовления пива. Производство пива можно разделить на пять важнейших этапов, следующих в последовательной технологической цепочке: 1. Приготовление ячменного солода 2. Варка сусла 3. Сбраживание сусла 4. Дображивание и фильтрация пива. 5. Розлив пива

Приготовление ячменного солода. Солод - основной вид сырья, используемый для производства пива. Его получают из ячменя с помощью процесса, называемого соложением и производимого в солодовне. Суть соложения - в проращивании зерен ячменя. В ходе проращивания некоторые вещества, содержащиеся в ячмене, превращаются в необходимые для сбраживания углеводы. Через определенное время, когда желаемые преобразования веществ завершены, проращивание прерывается путем сушки зерен - пропускания горячего воздуха сквозь слой ячменя, при этом испаряется содержащаяся в зернах вода. После этого проростки корней и листьев отбивают от зерен. Полученный в результате этих операций продукт называется солодом.

Варка сусла. Для более полного извлечения всех важных веществ, которые может выработать ячменное зерно, солод дробят. Образующийся при этом продукт называется солодовым помолом. Затем его смешивают с водой в заторном котле. Получившуюся смесь называют затором. Затор поэтапно нагревается до определенных температур в течение определенных отрезков времени в зависимости от того, какой сорт пива варится. В ходе этого процесса содержащийся в солоде крахмал превращается в растворимые вещества, сбраживаемые и несбраживаемые сахара. В фильтрационном чане, куда из заторного котла перекачивается затор, происходит отделение дробины (зерновой шелухи и нерастворенного белка) от сусла (жидкой фракции затора). Прозрачное сусло в ходе процеживания сливается в сусловой котел, в котором его кипятят. Во время кипячения добавляют хмель. Он содержит те горькие вещества, которые придают пиву его специфические аромат и горечь. Хмель также способствует пенообразованию и повышает стойкость пива. После варки остатки хмеля и прочие нерастворенные твердые частицы отделяются в сепараторе. Сусло охлаждается до температуры брожения в пластинчатом теплообменнике и закачивается в бродильный танк.

Сбраживание сусла. В охлажденное сусло, находящееся в бродильном танке, добавляются дрожжи. Дрожжи, являющиеся по своей природе одноклеточным грибком, обладают способностью преобразовывать сбраживаемые сахара в другие вещества, в том числе в алкоголь и двуокись углерода. Через 4-7 суток брожение заканчивается, и дрожжи опускаются на дно (пиво низового брожения). Дрожжи снимаются из бродильного танка и перекачиваются в сборники хранения засевных дрожжей, из которых используются для нового цикла брожения.

Дображивание и фильтрация пива. По окончании брожения пиву дают созреть и стабилизироваться в течение от 8 до 12 суток. В ходе этого процесса пиво насыщается углекислотой, осветляется и приобретает более благородный вкус. После брожения пиво недостаточно прозрачно, поэтому его фильтруют. Сначала пиво пропускают через сепаратор, в котором отделяются крупные частицы. Затем пиво проходит через пивной фильтр тонкой очистки. После этого пиво вполне прозрачно. Готовый напиток хранится в сборнике готового пива (форфасе) при низкой температуре до подачи его на розлив.

Розлив пива. Пиво разливается в различные виды тары: стеклянные бутылки, ПЭТ-бутылки, банки, кеги. Пиво является продуктом, не подлежащим длительному хранению, и нуждается в защите от воздействия воздуха и загрязнения. Перед заполнением тара должна быть тщательно вымыта, а после наполнения попавший в нее воздух необходимо удалить. При невыполнении данных условий, стойкость пива значительно ухудшается. При розливе пиво пастеризуют для подавления и уничтожения присутствующих в пиве микроорганизмов.

Лекция 5. Виноделие. Дрожжи в виноделии. Биохимические основы процесса виноделия. Сущность и основные стадии технологического процесса. Уксуснокислые и молочнокислые бактерии и их роль в виноделии. Плесневые грибы - вредители винодельческой промышленности.

Дрожжи в виноделии. Биохимические основы процесса виноделия.

Необходимое условие любого спиртового бродильного процесса — наличие сахара в сырье. Так, в производстве вина используется сахар виноградного сока. Почти все вино в мире делают из винограда одного вида, Vitis vinifera. Сок этого винограда— прекрасное сырье для производства вина. Он богат питательными веществами, служит источником образования приятных запаха и вкуса, содержит много сахара; его природная кислотность подавляет рост нежелательных микроорганизмов. Виноделие в отличие от пивоварения до самого последнего времени было основано на использовании диких местных дрожжей. Единственная обработка, которой подвергали виноград до отжима, — окуривание его сернистым газом, чтобы сок не темнел. Кроме того, сернистый газ подавляет деятельность невинных дрожжей; это позволяет винным дрожжам, которые менее чувствительны к нему, осуществлять брожение без помех. При изготовлении красного вина гребни, косточки и кожица до конца брожения находятся в виноградном сусле (мусте), а белое вино делают из чистого сока. Обычно окуривание сернистым газом проводят до того, как раздавливают ягоды, но иногда его добавляют и на более поздних стадиях. В таблице 1 перечислены виды дрожжей, наиболее часто встречающиеся на кожице виноградных ягод. В прошлом именно эти дикие дрожжи и осуществляли спиртовое брожение. Сегодня в тех районах, где виноделием начали заниматься недавно, широко применяются дрожжевые закваски. Связано это с тем, что желаемая микрофлора может и отсутствовать, а инокуляция стандартной культурой дрожжей позволяет получать вина с нужными свойствами. Кроме того, количество используемого сернистого газа ограничено законом, и это побуждает применять дрожжевые культуры-закваски. Виноделы не очень полагаются на дрожжи дикого типа, если нет уверенности, что конкуренция со стороны невинных дрожжей не подавлена. Использование заквасок дает ряд преимуществ: сокращается лаг-период размножения дрожжей, образуется продукт с известными свойствами, уменьшается вероятность появления нежелательного вкуса, поскольку в брожении не участвуют дикие невинные дрожжи. В будущем использование специально созданных штаммов будет все более расширяться: это гарантирует необходимые вкусовые качества вин. Смешанные закваски позволяют получать продукцию с полным букетом, что невозможно при работе с индивидуальными штаммами. Вкусовые различия между сортами винограда определяются особыми веществами. Так, в формировании вкуса мускатных сортов участвуют производные терпенов, линалоол и гераниол.

Таблица 1 - Виды дрожжей, наиболее часто встречающиеся на кожице виноградных ягод

Роды и виды	Источник
Candida pulcherrima – новое название Metschnikowia pulcherrima	Обычны для сусла и вина; на винограде
C. scottii – Leucosporidium scotti	Чехословакия; незрелый виноград в Новой Зеландии
Debaryomycopces phaffii	Виноград в провинции Коньяк
Endomycopsis lindneri	Виноград и сусло, Бразилия
Hansenula saturnus	Вино, полученное из поздно собранного винограда
Kloekera africana	Весьма обычны для винограда, сусла и вина
K. apiculata	Весьма обычны
Pichia fermentans	Виноград, сусло и вино
Saccharomyces acidifaciens – ныне разновидность S. bailii	Испортившиеся вина, виноград, устойчивы к сернистому газу (фруктофиллы)
S. bayanus ( включ. S. oviformis)	Виноград, сусло ивино
S. bisporus	Виноград, образуют мало спирта
S. carlsbergensis - новое название S. uvarum	Виноград, реже – вина (применяются при производсте легкого пива)
S. cerevisiae	Классические винные дрожжи; по-видимому, наиболее распространенные
S. chobatai - новое название S. italicus	Виноград в Грузии ( СССР)
S. coreanus	Виноград; редкий вид
S. elegans - новое название S. bailii var. bailii	Виноград и вино ( фруктофил )
S. elegans vaar intermedia - новое название S. bailii var. bailii	Виноград в Бразилии
S. globosus	Виноград, виноградный сок и вино встречаются редко
S. heterogenicus	Виноград, сусло, виноградный сок; встречаются редко
S. italicus	Виноград и виноградный сок, вырабатываемый в местностях с теплым климатом
S. oviformis - новое название S. bayanus	Виноград, сусло и вино; обычный вид
S. pastorianus - новое название S. bayanus	Виноград, сусло; обычны для брожения по типу Loire
S. rosei	Виноград и вино; обычный вид
S. rouxii	Перезрелый виноград
S. steineri - новое название S. italicus	Вино и виноград
Torulopsis bacillaris - новое название Torulopsis stellata	Виноград и вино ( фруктофил )
Torulopsis burgeffiana - новое название M. Pulcherrima	Виноград и сусло

Различные вкусовые оттенки появляются при выдержке вина; хорошо известно, что свой вклад вносит взаимодействие с древесиной и воздухом при хранении в деревянных бочках. После завершения спиртового брожения молодое вино хранят в особых условиях, чтобы оно не испортилось. Если вино не предполагается подвергать яблочно-молочнокислому дображиванию, его обрабатывают сернистым газом, что подавляет окислительные процессы, вызывающие его потемнение. До этого из вина удаляют дрожжи, чтобы прекратить брожение.Первосортные вина подвергают выдержке разного рода в зависимости от типа вина, а более дешевые разливают, как правило, в тот же год, когда они получены. Трудности при выработке дешевых вин обычно связаны с их склонностью к вторичному, яблочно-молочнокислому брожению, которое развивается ко времени разлива. Если вино склонно к такому брожению, его искусственно вызывают до разлива, а если нет, то подавляют. При производстве первосортных красных вин такое брожение даже желательно. Оно составляет естественную часть процесса и происходит при хранении. Этот тип брожения осуществляется молочнокислыми бактериями, в частности Leuconostoc, Lactobacillus и Реdiсоссus. Оно не идет при низких значениях рН; создав такие условия, его можно подавить. В белых винах яблочно-молочнокислое брожение происходит реже, так как рH в них ниже. Среди новшеств в этой области упомянем использование для инициации брожения вместо бактерий иммобилизованных ферментов. Некоторые особые сорта вин, например сотерны, получают при участии гриба Botrytis cinerea. Его развитие на ягодах приводит к их обезвоживанию и повышению содержания сахара, что и определяет сладкий вкус вина. Заражение должно происходить только перед сбором винограда. Представляет интерес и еще один процесс, называемый углекислотной мацерацией. Красные вина, которые должны созреть к 15 ноября в год сбора винограда, получают особым способом. Виноград не давят, а помещают целиком в бродильные чаны, где держат в атмосфере углекислого газа. Брожение идет либо прямо в ягодах, в анаэробных условиях, либо в соке, выделяющемся в результате разрушения кожицы углекислым газом. Микробиология этого процесса пока не исследована. В крепленых винах часть спирта получается при сбраживании винограда дрожжами, а часть добавляется. К числу таких вин относятся портвейн, херес и мадера.

Сущность и основные стадии технологического процесса.

Виноделие - приготовление вина из винограда путём спиртового брожения. Оно делится на первичное — переработка винограда, приготовление виноматериалов, и вторичное — обработка и выдержка виноматериалов с целью придания им характерного вкуса, букета, аромата и стабильности. Исходным сырьём для Виноделия является виноград (белый, розовый, чёрный и красный) в стадии технической зрелости, т. е. в таком состоянии, когда в нём образовалось достаточное количество экстрактивных веществ, сахара и кислоты для производства того или иного вина. Из винограда готовятся виноматериалы на заводах первичного виноделия, расположенных обычно в районах произрастания винограда. Затем виноматериалы, как правило, обрабатываются на заводах вторичного виноделия. Есть также заводы смешанного типа.

Первичное Виноделие. Основным процессом первичного В. является спиртовое брожение, для осуществления которого в сусло вводится чистая культура дрожжей (2—3%); брожение может также происходить на природных дрожжах, содержащихся в самом винограде. В результате сбраживания сахара виноградного сусла образуются этиловый спирт и углекислый газ (в среднем 1 г сахара даёт 0,6 мл спирта), а также в небольших количествах вторичные продукты брожения (глицерин, уксусный альдегид, кислоты, ацетоин, 2,3-бутиленгликоль, диацетил, высшие спирты и эфиры). Сусло бродит до полного сбраживания сахара в случае приготовления сухих вин или до частичного — для полусладких, крепких и десертных вин.

Белые столовые вина изготовляют главным образом из белых, а также из тех красных и чёрных сортов винограда, сок ягод которых не окрашен

На заводах виноград немедленно, во избежание закисания, перерабатывается на сусло. На дробилках-гребнеотделителях виноград раздавливается, превращается в мезгу и от мезги с соком отделяются гребни. Мезга подаётся мезгонасосом в стекатель для отделения сусла-самотёка, а затем — в пресс непрерывного или периодического действия для окончательного допрессовывания. Сусло осветляется отстаиванием или декантацией в течение 18—24 ч с одновременной обработкой бентонитом и сернистым ангидридом. В осветлённое сусло вводится чистая культура дрожжей, и оно подаётся в резервуары или установки непрерывного брожения. Для лучших столовых вин используется только сусло-самотёк, прессовые фракции сусла идут на изготовление ординарных креплёных вин. Во время брожения поддерживается оптимальная температура (14—18°С) сусла. При сбраживании сусла в установке непрерывного действия на 30% увеличивается производительность оборудования, на 50% сокращается затрата труда, дрожжевая разводка вводится один раз в начале сезона виноделия, легче поддерживаются технологические параметры на оптимальном уровне, обеспечивается более высокое качество вин. Когда брожение вина закончится, т. е. прекратится выделение углекислого газа и вино осветлится, его сливают с дрожжевого осадка и перекачивают в чистую ёмкость.

Красные столовые вина готовятся из красных или чёрных сортов винограда, сок которого, как правило, не окрашен, а все красящие вещества содержатся лишь в кожице. Основная задача В. по так называемому красному способу — извлечь красящие вещества (антоцианы). Виноград после дробления и гребнеотделения не прессуют, как при приготовлении белых вин, а перерабатывают по одной из 3 технологических схем: 1. Брожение сусла на мезге в дубовых чанах или железобетонных резервуарах при температуре 28—32°С с плавающей или погружённой «шапкой» (масса, состоящая из кожицы и семян винограда). Кожица винограда под действием углекислого газа всплывает наверх и уплотняется на поверхности бродящего сусла в виде «шапки». Её тщательно перемешивают 3—4 раза в сутки для более полного извлечения красящих и дубильных веществ. Когда вино приобретает необходимую окраску, его отделяют от мезги и мезгу прессуют. 2. Нагревание мезги в мезгоподогревателях до 55—60°С, выдержка при этой температуре до приобретения суслом требуемой окраски, охлаждение и прессование с последующим сбраживанием по так называемому белому способу. 3. Экстрагирование красящих и дубильных веществ сброженным виноматериалом. По этой схеме сусло отделяется от мезги, сбраживается по так называемому белому способу, и затем виноматериал подаётся в экстрактор для извлечения красящих и дубильных веществ из свежей мезги. Так как содержание спирта в вине достаточно высоко, экстракция идёт очень быстро (за 8—10 ч).Эта технология осуществляется на поточной линии, все процессы на которой полностью механизированы и автоматизированы.

Красные столовые виноматериалы, полученные по всем 3 технологическим схемам, после осветления и достижения интенсивной окраски сливаются с дрожжевого осадка и направляются на обработку и выдержку.

Креплёные вина (крепкие и десертные) готовят из винограда, обладающего способностью к высокому сахаронакоплению в процессе созревания, а также к завяливанию и заизюмливанию при перезревании. Аромат и вкус этих вин обусловливаются сортом винограда ( мускат , токай ), или способом его выделки ( херес , малага , мадера , портвейн , марсала , кагор и др.). Виноград перерабатывается таким же образом, как и для столовых вин. После сбраживания части сахара, определённой для каждого типа вина, брожение останавливают внесением чистого пищевого этилового спирта — так называемым спиртованием, или креплением вина.

Для получения полусладких вин брожение можно остановить резким понижением температуры, введением больших доз сернистого ангидрида, нагреванием до 80—90°С с многократной фильтрацией и др.

Вторичное Виноделие. Для выдержки и хранения вина наиболее эффективны подвальные хранилища или надземные помещения с кондиционированием воздуха. Хранят вина в дубовых бочках и бутах, а также в эмалированных резервуарах.

Выдержка — обработка с целью получения вин определённого типа и достижения стабильности. При этом выполняют доливку, переливку, осветление, фильтрацию, оклейку, купаж, охлаждение, пастеризацию и др. Доливка вина производится для возмещения убыли вина от испарения и для предохранения его от закисания. Вино испаряется через поры клёпок и шпунтовые отверстия бочек, в которых образуется воздушная полость, вызывающая скисание столового вина. Во избежание этого бочки регулярно доливают вином того же возраста, сорта и качества. Переливкой называется отделение прозрачной части вина от осадка: дрожжей (первая переливка), клеевых осадков и пр. Окислительные процессы, происходящие в результате соприкосновения вина с кислородом воздуха во время переливок, ускоряют созревание молодых вин, улучшают их вкус, повышают прозрачность, развивают букет, аромат вина. Осветление вина производится фильтрацией и оклейкой. Под влиянием окислительных процессов некоторые составные части вина — дубильные, белковые, пектиновые, красящие вещества — переходят во взвешенное состояние, образуют муть и затем выпадают в осадок. Осаждаются также винный камень и микроорганизмы (дрожжи, бактерии). Фильтруют вино через диатомитовые, асбестовые, целлюлозные, матерчатые и др. фильтры. Оклейка заключается в обработке вина различными веществами, адсорбирующими мутящие частицы и образующими с ними оседающие хлопья. Сначала для этого применялся рыбий клей, получаемый из плавательных пузырей осетровых рыб (откуда и название операции), в дальнейшем — желатин (пищевой), казеин, альгинат натрия, бентонит. Для удаления из вина излишков железа вводят жёлтую кровяную соль или фитин.

Важным средством улучшения качества является также купаж вина — смешение вин из различных сортов винограда разных районов, разных годов и разных типов (сухих со сладкими, красных с белыми и т.д.). Пользуясь купажом, можно получать большие партии однородных, стандартных вин, устранять недостатки и пороки вин, омолаживать их, исправлять больные вина. Охлаждение вина от -3 до -4°С с выдержкой до 3 суток и последующей фильтрацией производится для удаления из вина избытка винного камня, белковых, пектиновых и красящих веществ, которые часто вызывают помутнение вина. Кроме того, обработка холодом улучшает качество вина. Пастеризации подвергают обычно больные и склонные к заболеванию вина; она придаёт вину устойчивость к окислительным процессам, а также ускоряет созревание. Нагревание вина до 60—70°С и выдержка в течение нескольких часов с последующей фильтрацией повышают стойкость и улучшают вкус вина. Хорошие результаты даёт выдержка крепких вин в летнее время на солнце, на открытых площадках или в остеклённых камерах.

1 — контейнер; 2 — бункер; 3 — дробилка; 4 — мезгонасос; 5 — сульфодозатор; 6 — экстрактор; 7 × 12 — насосы; 8 — напорная ёмкость; 9 — установка для непрерывного сбраживания сусла; 10, 11, 13 — резервуары; 14 — дожимочный пресс.

Рисунок 1 - Технологическая схема приготовления красных вин