2) Общая морфофизиологическая характеристика дрожжей, используемых в промышленности.

Дрожжи, используемые для получения спирта, относятся в основном к роду Saccharomyces.

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

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 Harisen. 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 . 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— 10,5X5,0 — 21,0 мкм), ко второй — с наименьшими (2.5—7,0X11-0—19,0 мкм) к третьей — промежуточные (3,5 — 8,0X5,0— 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.

3) Получение этилового спирта.

В эпоху промышленного прогресса спирт широко применяют как растворитель и химическое сырье для производства синтетического каучука. В настоящее время в нашей стране большая часть этилового спирта используется на технические нужды, остальная — в медицине и для других целей.

В процессе спиртового брожения, как отмечалось выше, наряду с основным продуктом брожения — этанолом образуются побочные продукты; глицерин, высшие спирты, сивушные масла, альдегиды, органические кислоты, эфиры, углекислый газ. Большинство из них находит практическое использование. Сивушное масло и эфиро-альдегидную фракцию выделяют при ректификации этилового спирта и выпускают в виде технических продуктов. Углекислый газ улавливают, очищают от сопутствующих примесей и превращают в жидкую углекислоту. Ее используют в разных целях, в том числе для газирования воды, пива и безалкогольных напитков; применяют при сварочных работах как защитный агент против окисления швов, а также в литейном и других производствах. Сухой лед, получаемый из сжиженного углекислого газа, применяют в качестве хладоагента в пищевой промышленности, медицине, машиностроении и энергетике. Выделенная после брожения биомасса дрожжей утилизируется в хлебопечении, а на барде после отгонки спирта выращивают кормовые дрожжи.

Сырьем для производства спирта служат разнообразные растительные материалы, содержащие в достаточном количестве сбраживаемые сахара или другие углеводы, которые можно осахарить. Наиболее широко используются крахмалосодержащие материалы — зерно (рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо) и картофель, сахаросодержащие материалы — меласса (отход сахарного и крахмало-паточного производства), дефектная сахарная свекла, а также древесина и отходы сельскохозяйственных растений. Дальнейшее увеличение производства спирта будет идти в основном по пути увеличения мощностей предприятий, использующих непищевое сырье.

Получение этилового спирта

Процесс производства спирта из крахмалистого сырья включает ряд стадий. Вначале сырье измельчают и разваривают с целью извлечения и растворения крахмала. Поскольку крахмал не подвержен действию ферментов дрожжей, способных сбраживать только дисахариды и моносахариды, охлажденную разваренную массу обрабатывают амилолитическими ферментами солода (пророщенного зерна) или грибов (Aspergillus oryzae, Asp. niger и др.). Осахаренная масса (затор) содержит смесь углеводов, состоящую из мальтозы, глюкозы и декстринов. Кроме того, в нем имеются пептиды, аминокислоты, фосфорорганические соединения, минеральные соли и микроэлементы.

Следующая стадия — сбраживание осахаренной массы. На отечественных спиртовых заводах применяют периодический и непрерывно-поточный способы брожения. Для этого используют естественно-чистые культуры дрожжей. Для подавления в них размножения бактерий пастеризованный и охлажденный до 30 °С затор подкисляют серной кислотой до рН 3,8—4,0. Такие значения рН менее благоприятны для развития дрожжей, чем рН 4,5—5,0, но медленное размножение дрожжей компенсируется возможностью получения практически чистой культуры в нестерильных условиях.

Спиртовые дрожжи, применяемые при переработке крахмалистого сырья, должны обладать высокой бродильной активностью; быстро и полностью сбраживать сахара, а также использовать другие компоненты питательной среды в анаэробных условиях, быть устойчивыми к продуктам своего обмена (особенно к спирту), хорошо противостоять развитию инфекции. Уже около 70 лет применяют Sacch. cerevisiae, раса XII. Эти дрожжи хорошо сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, на 1/3 раффинозу, несколько слабее галактозу. В среде накапливают до 10— 11 об. % спирта. Раса XII — верхнебродящая, хорошо распределяющаяся во всем объеме затора, пылевидная, не образует хлопьев. Оптимальная температура ее развития от 30 до 38° С, максимальная 38°С, минимальная температура 5 ^:С. Значение рН во время брожения поддерживают в пределах 3,8—4,0. Используют также другие расы дрожжей, но не так широко. После сбраживания заторов остаются неиспользованными около 0,1 % галактозы, 0,4% декстринов и 0,5% пентоз.

Проводится селекционная работа по получению рас дрожжей с более высокими производственно ценными свойствами, в частности, способных интенсивно использовать галактозу и декстрины. В последние годы большое внимание уделяется селекции термотолерантных рас, дающих в промышленном производстве ряд преимуществ (ускорение микробиологических процессов, уменьшение расхода хладоагента и др.).

Разрабатываются методы получения этанола на различных субстратах с использованием иммобилизованных клеток микроорганизмов.

Меласса — побочный продукт сахарного производства (содержит около 80 % сухих веществ и 20 % воды). Сухие вещества представлены сахарами, безазотистыми органическими, азотсодержащими и минеральными веществами. Основной сахар мелассы— сахароза. В сухих веществах ее 45—50%. Содержится также 0,1—0,5 % инвертного сахара (смесь глюкозы и фруктозы) и 0,5—2 % раффинозы. Все остальные сухие вещества мелассы объединяют общим названием несахара. Они определяют свойства мелассы как сырья для спиртового производства. Азотсодержащие вещества мелассы представлены в основном продуктами распада белковых веществ — аминокислотами и бетаином — органическим основанием, дающим при разложении амины. Содержит она витамины группы В и биотин, необходимые для роста дрожжей. Нормальная доброкачественная меласса имеет слабощелочную или нейтральную реакцию (рН 7,2—8,9).

К дрожжам, используемым для сбраживания мелассных растворов, предъявляются в основном те же требования, что и к расам для производства спирта на крахмалистых средах. Кроме того, они должны обладать способностью переносить высокие концентрации сухих веществ, содержащихся в мелассе, и, возможно, более полно сбраживать рафинозу. Технологические схемы предусматривают использование выделенных после брожения дрожжей в качестве хлебопекарных, поэтому они должны отвечать требованиям, предъявляемым к последним.

В производстве широкое применение нашла раса Sacch. cerevisiae А, а при использовании дрожжей в качестве хлебопекарных— раса В (венгерская). Дрожжи этих рас хорошо сбраживают сахарозу, глюкозу и фруктозу, рафинозу только на 1/3. При большом содержании раффинозы в мелассе недобор спирта может быть значительным.

Для селекции рас дрожжей с требуемыми свойствами был применен метод гибридизации. В результате скрещивания расы А с дрожжами, использующимися в пивоваренном производстве и способными образовывать α-галактозидазу, были получены диплоидные гибриды (67 и 73), применяемые в настоящее время на ряде заводов России. Они сбраживают раффинозу примерно на 60—70 %, тогда как дрожжи рас Я и В — только на 30 %. В последние годы для сбраживания сусла из свеклосахарной и тростниковой мелассы используют расу V-30. Она сбраживает раффинозу на ²/з, обладает высокой генеративной способностью, а получаемые прессованные хлебопекарные дрожжи лучшего качества, чем дрожжи расы В.

Получение этилового спирта из мелассы

Сырьем для получения технического спирта могут служить гидролизаты древесины и других растительных отходов. Древесина хвойных и лиственных пород содержит от 40 до 75 % полисахаридов. Различают легко- и трудногидролизуемые полисахариды. Легкогидролизуемые полисахариды состоят из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Трудногидролизуемые полисахариды содержат целлюлозу с небольшой примесью гемицеллюлоз.

Растительное сырье под давлением подвергают кислотному гидролизу. Полученный гидролизат содержит 3,2—3,5 % редуцирующих сахаров, преимущественно глюкозу, в небольших количествах галактозу и маннозу, а также пентозы — ксилозу, арабинозу, рамнозу.

Для сбраживания древесных гидролизатов используют ряд рас Sacch. cerevisiae и Schizosaccharomyces. Последние более полно сбраживают галактозу, чем сахаромицеты, и поэтому дают более высокий выход спирта. Брожение проводят по непрерывно-поточному способу при высокой концентрации биомассы (17— 25 г/л).

Присутствующие в гидролизате вредные примеси играют роль антисептиков — подавляют развитие посторонних микроорганизмов. Поэтому на гидролизных спиртовых заводах отсутствуют установки для размножения чистых и производственных культур дрожжей, а одни и те же дрожжи используют на протяжении многих месяцев.

Зрелая бражка, полученная в результате брожения, содержит 1,0—1,5% этанола и побочные продукты брожения, несброженные сахара и другие органические вещества. При перегонке бражки и ректификации гидролизного спирта не удается полностью избавиться от этих примесей; гидролизный спирт (ректификат) содержит до 0,05—0,1 % метанола и несколько большее количество кислот, сложных эфиров и альдегидов, чем ректификат из пищевого сырья.

При традиционном способе получения этанола из гидролизатов древесины и отходов сельскохозяйственных растений значительная часть моносахаридов, в основном ксилозы, остается неиспользованной. В последние годы выявлены дрожжи Pachysolen tannophilus, Candida shehatae (син. Pichia stipitis) и другие, способные сбраживать ксилозу с образованием этанола. Использование таких дрожжей может обеспечить утилизацию до 90 % сахаров, образующихся при гидролизе растительной массы. Разрабатываются промышленные методы производства этанола с применением ксилозосбраживающих дрожжей.

Сульфитные щелока являются отходами целлюлозного производства. Для извлечения целлюлозы древесину обрабатывают при повышенной температуре варочным раствором, обычно представляющим смесь сернистой кислоты с водными растворами бисульфитов и моносульфитов — Ca(HSO₃)₂, Mg(HSO₃)₂, NH₄HSO₃ и NaHSO₃. При этом целлюлоза извлекается в неповрежденном виде, а гидролизуются только гемицеллюлозы. Лигнин, входящий в состав древесины, образует с сернистой кислотой водорастворимые лигносульфокислоты. Суммарная концентрация сахаров достигает 3,0—3,5%, из них 62—68% сбраживаемые, рН 1,5—1,0.

Сульфитные щелока сбраживают расами Sacch. cerevisiae, которые хорошо, используют галактозу, обладают флокулирующими свойствами и сорбируются волокнами целлюлозы. Благодаря наличию в щелоках ряда антисептических веществ нет необходимости в процессе производства размножать дрожжи в специальных аппаратах. Отбродившие дрожжи вновь идут в производство.

Зрелая бражка содержит 0,5—1 % этилового спирта и много летучих примесей (альдегиды, эфиры, высшие спирты, метанол, фурфурол, сернистый ангидрид, сероводород). В сульфитном спирте остаются трудноотделяемые сернистые соединения, значительное количество альдегидов и эфиров, а также 2—8 % метанола. Сульфитный спирт является самым дешевым. Его стоимость примерно в три раза ниже пищевого.