Выбор способа подготовки сухих спиртовых дрожжей к сбраживанию ячменного сусла повышенной концентрации Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

СЫРЬЕ МАТЕРИЛЛЫ ТЕМА

СЫРЬЕ и МАТЕРИАЛЫ

для ПРОИЗВОДСТВА М°МЕрА

ПИВА и НАПИТКОВ

УдК 663.5

Выбор способа подготовки сухих спиртовых дрожжей

к сбраживанию ячменного сусла повышенной концентрации

К. А. Кузнецова,

студент; Н. В. Баракова,

канд. техн. наук, доцент; М. Ю. Зайцева, студент; Д.С. Алимова,

аспирант

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

М. А. Начётова,

канд. техн. наук

ООО «Лаллеманд дрожжи»

В настоящее время среди актуальных направлений развития спиртовой промышленности можно выделить стремление производителей к снижению себестоимости спирта за счет экономии энергоресурсов при выполнении различных технологических операций, а также за счет применения более дешевого вида сырья, а именно ячменя. Использование в технологии спирта сухих спиртовых дрожжей взамен чистой культуры позволяет исключать такие технологические операции, как разведение чистой культуры дрожжей в лабораторных и производственных условиях, что снижает трудозатраты при производстве спирта [1-3]. При работе с сухими спиртовыми дрожжами для обеспечения поступления питательных веществ в дрожжевую клетку необходимо первоначально восстановить целостность ее мембраны, которая была нарушена в процессе высушивания. Таким образом, дрожжевую клетку необходимо подготовить к процессу брожения [4-7].

Производители сухих спиртовых дрожжей рекомендуют различные способы подготовки дрожжей к брожению: внесение сухих спиртовых дрожжей непосредственно в сбраживаемую среду; проведение предварительной регидратации / реактивации дрожжей на различных питательных средах; дрожжегенерирование реги-дратированных / реактивированных сухих спиртовых дрожжей в течение определенного количества времени [1, 3, 8]. В данной статье рассматриваются способы регидратации / реактивации сухих спиртовых дрожжей

на ячменном сусле повышенной концентрации.

Питательная среда, на которой происходит восстановление мембраны дрожжевой клетки, — это один из наиболее важных факторов, влияющих на физиологическое состояние реги-дратированных / реактивированных дрожжей. При этом характеристики питательной среды будут зависеть как от степени деструкции зерна, так и от способа и вида вносимых ферментных препаратов [4, 9, 10, 11]. Формирование питательной среды для сбраживания ее сухими спиртовыми дрожжами происходит на стадии осахаривания за счет разных режимов внесения глюко-амилазы [3, 5, 11].

В России традиционным способом осахаривания считается метод, разработанный во ВНИИПБТ, при котором осахаривающие ферменты вносятся на стадии водно-тепловой и ферментативной обработки при 60 °С. В западных странах распространена технология SSF {simultaneous saccharification and fermentation), согласно которой осахари-вающие ферменты вносятся перед брожением [12-14].

Цель настоящей работы — обосновать способ подготовки питательной среды для реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания ячменного сусла повышенной концентрации.

Для получения осахаренного сусла с различной концентрацией сухих веществ {СВ) был приготовлен зерновой замес из ячменя урожая 2015 г. Зерно предварительно многостадийно измельчалось на лабораторной мельнице с роторно-

18 ПИВО и НАПИТКИ 3 • 2017

СЫРЬЕ и МАТЕРИАЛЫ для ПРОИЗВОДСТВАПИВА и НАПИТКОВ

Таблица 1

Показатели ячменного сусла повышенной концентрации

Способ осахаривания Массовая доля растворимых СВ, % Содержание редуцирующих веществ, г/100 см3 Содержание аминного азота, мг/100 см3 Осмоляльность сусла, ммол/кг Коэффициент динамической вязкости замеса, мПа-с рН

1 Традиционный способ 1

Глюкоамилаза вносилась на стадии ВТО при 60 °С 21,4±0,2 16,2±0,7 8,2±0,3 851±62 0,5±0,2 5,8±0,1

Метод SSF

Глюкоамилаза вносилась перед брожением 21,4±0,2 14,4±0,6 7,4±0,2 531±41 0,5±0,2 5,8±0,1

0

1 <

§

ш I-

ножевым рабочим органом до получения помола, характеризующегося 90%-ным проходом через сито размером 1 мм. Гидромодуль замеса составлял 1: 2,5. Водно-тепловую обработку (ВТО) замеса проводили по механико-ферментативной схеме [9, 12]. Во время проведения ВТО вносили ферментные препараты фирмы ERBSLOEH (Германия). ферментный препарат Дистицим БА-Т Специал, содержащий а-амилазу (доза внесения а-амилазы 0,3 ед. АС / г крахмала) и ферментный препарат Дистицим GL, содержащий ксиланазу (доза внесения ксилана-зы — 0,3 ед. КС/г сырья.

Осахаривание проводилось двумя способами способами:

• традиционным способом, когда ферментный препарат Дистицим АГ, содержащий глюкоамилазу (доза внесения глюкоамилазы 7 ед.ГлС / г крахмала)вносили на стадии водно-тепловой обработки при температуре 60 °С, время оса-харивания составляло 30 мин;

• методом SSF, когда ферментный препарат Дистицим АГ, содержащий глюкоамилазу (доза внесения глюкоамилазы — 7 ед. ГлС / г крахмала), вносили пред началом брожения [14]. Качественные показатели ячменного сусла повышенной концентрации при разных способах внесения глюкоамилазы представлены в табл. 1.

Из результатов, представленных в табл. 1, следует, что при внесении глюкоамилазы после водно-тепловой обработки замеса осмоляльность сусла составляет 851 ммоль/ кг, тогда как осмоляльность сусла без внесения глюкоамилазы после водно-тепловой обработки 531 ммоль/кг, то есть, осмоляльность первого сусла выше осмоляльности второго сусла на 40%.

Для оценки влияния осмоляльно-сти сусла на формирование физиологических характеристик дрож-

жей — продуктивности и бродильной активности — была проведена серия экспериментов, при которых в сусле с различным значением осмоляльности была проведена регидратация / реактивация сухих спиртовых дрожжей и осуществлено последующее сбраживание этих образцов сусла [5, 10, 15]. Подготовку сухих спиртовых дрожжей к сбраживанию при этом проводили разными способами:

• при первом способе сухие спиртовые дрожжи вносили в сбраживаемую среду без предварительной регидратации / реактивации, при этом доза внесения в сусло сухих спиртовых дрожжи марки «DistilaMax НТ» составляла 0,25 г/дм3 ячменного сусла повышенной концентрации;

• при втором способе проводили ре-гидратацию / реактивацию дрожжей в воде в течение 10-15 мин, при этом доза внесения в сусло сухих спиртовых дрожжи марки «DistilaMax НТ» составляла 0,25 г/дм3 ячменного сусла повышенной концентрации;

• при третьем способе проводили в течение 10-15 мин регидрата-цию / реактивацию дрожжей в сусле, приготовленном при разных режимах внесения глюкоами-лазы, то есть с разным значением осмоляльности. Доза внесения в сусло сухих спиртовых дрожжей марки «DistilaMax НТ» составляла 0,25 г/дм3 ячменного сусла повышенной концентрации.

После подготовки сухих спиртовых дрожжей перечисленными способами дрожжи вносили в сбраживаемое сусло с разным значением осмоляльности, то есть в сусло, подготовленное при разных режимах внесения глюкоамилазы.

Брожение проводилось при температуре 30 °С в течение 72 ч.

Оценку способов подготовки сухих спиртовых дрожжей к сбраживанию

ячменного сусла повышенной концентрации, осахаривание которого выполняли разными способами, проводили по скорости накопления биомассы дрожжей в процессе сбраживания сусла, по скорости снижения концентрации видимых СВ в бражке, по скорости выделения диоксида углерода в процессе брожения.

Накопление биомассы дрожжей определяли по числу дрожжевых клеток в бражке. Количество выделившегося диоксида углерода устанавливали по убыли массы сосуда, снабженного гидрозатвором.

Динамика накопления биомассы дрожжей в процессе сбраживания сусла, осахаренного разными способами, представлены на рис. 1 и 2. Из данных графиков следует:

• независимо от способа осахарива-ния ячменного сусла повышенной концентрации профиль накопления биомассы дрожжей в процессе брожения имеет схожий характер;

• если в сбраживаемую среду (не зависимо от способа осахарива-ния сусла) вносить дрожжи без предварительной реактивации/ регидратации,то в течение 4-6 ч наблюдается лаг-фаза, во время которой происходит адаптация сухих дрожжей к среде.

• если сухие спиртовые дрожжи были предварительно регидратирова-ны/реактивированы в воде или сусле, то лаг-фаза отсутствует;

• скорость накопления биомассы дрожжей и итоговая концентрация дрожжевых клеток при всех способах подготовки дрожжей к сбраживанию достигают более высоких значений на сусле, осахаренном методом SSF. Это объясняется тем, что дрожжевая клетка испытывает меньший осмотический стресс, поскольку осмоляльность сусла, осахарен-ного при температуре 60 °С, на 40% выше по сравнению с осмо-

3 • 2017 ПИВО и НАПИТКИ 19

ш

ГО (~)

II

а>

о

X ш "О

о сг П ^

л> 2

с. ^ ш

11

ш

о з-а

Н СЬ Си

■О

Си х ^

3= о ^ ^ —1

.С О ГО

=1 X

о 1-,

ГО со

Скорость снижения массовой доли растворимых сухих веществ, %

С5\}=!

"О Ж

£ *

ГО

о ^

Ь 3

1 ш сг

1 =1 X

£ ^

Го го

Скорость снижения массовой доли растворимых сухих веществ, %

ТЕМА НОМЕРА

Количество дрожжевых клеток, млн кл/см^

Количество дрожжевых клеток, млн кл/см^

Еа о

Ж я

о

43 43

05 О

О О

Ч ч

СЯ ж

о

43 о

Ж ж

а ж

Е *

X ф

П ж

ж

ГО 33

Ж а

ся 05

ГЗ

С4 О

1э о

ф ся

Еа о

Ф ж

Ж Ж 33 1э о

43 К

Р к оо « I

ЯТЗ

о -е-Еа К Ф РЧ 1э О ><! ся ф -

П Я 43

ф

1э о

4

05

ся

Еа

Ф

Ж Ж С4

X

ж

05

я

о РЧ

05 со 05

ж Е ж

05 43 Ж

о

СлЭ

I

сл

о }э о

05 <-<

Р3 3 ~ ф

О 43

О о

05 -й

X м 43 го

Ф я

Ж 43

ж о

о д -) ф

о о -л О

05

О >3

° я

о 5

ся ж

о Б> ж,: а ж

а Еа

ф 33

Ч О

л> ? 5 3

05

ы ° ф

ж сл 2 Е •о 5

к ^

о к

2 ся

на

8 *

о 53

V а

о ся

05

О -о

Еа ж

ф

ф — со ^

й5 Зн

ся о Ж

о 43

Ж ф

05

я

4 ж

ся Ж 43

о ся

05

ж Е

О ж

Еа Б5 а

л

(В 03

Ф РЧ

- ч

Ф ж

о ся

о ч Еа 43 ф 03

1э о ся

05

ф 2

<С О

т РЧ

Еа О

Ф 43

"О о

О о

1э Ч

05 Ж

•Й н

I °

сг ~

- ф

I »

я го

Ф о

ж

ж а

Е

X

П ГО

ся Е

ся Е

1э ф

Еа

Ф

Ж Ж 33

СЛ 43

° ь е Ф

ж -

Еа

С4 05

1э

* £

О О

ж ж

я °

Ф ®

Ж Й

, 05

а £

* |

П ф

Го 5 ж

ся зз

о о Еа ^ ф о

ГО ф Н -

Р о

05

X

05

43

ф

ж ж

о

я

43

ж сл о

Еа С4 Ж о о

4 СП сг со 5 Г4 о

о Еа

05

О о

05

X

05

43

ф

ж ж

о

ф

1э ж о я о ж 1э

05

о 2

о 2 43 а о С/3

СО » ►П ся

о

П я

о

ф ф л я

Ф о

к О

X я

43 ьН

£ О

5 ся

Ж Е

ся X

й й

Ж о

Ф ¡V

I го Й

О Я,:

О Я Еа о Ф СЛ

• 43

05

*

ж ся

05

ж

ж 3

-е- °

05 X ф 4 05

05 05 сл

43 ф Еа

ж ч о

ся 05 л о ж ю

ж ч о

ж о ся

33 ж ф 05 ж

о со ж

<с 05 ж

о ся

Еа 05 ж ж о ж а 1э 05 ж ж Е

05 ж о

сл о о ч X

Еа о ч

Ф я 05

Ф о о сл Еа

ш о

■е- сл 05 ю

о о РЧ я

ж 03 о

а Со 1э

ж о СЗ 05 т

X ч о

о я ч Ж ф Еа Ж ч о ся

ж О со РЧ

43 ч ж

Ч о 43

О ф РЧ

ся я Еа о

Е о О

Я о о ж= сл 43

сл сл 05

43 о 43 * ж ся

О ся 05

* я *

* Ф о РЧ 05

1э ж ж

ж= т о ся ж 5 а

ж о о ч о ся я ж Со 05 ся

05 ж о

Я ïa о Pi

О "О CA s h оч

й * 'S

Q Çb

и s

ГС ^ 3= Й

I =

I в

о\ й ? о

и —11 _I

э о -а

я е =

СО 7

° 7=1 э

1 -з ц

2 2з -»-I

¡1

а> а»

ё I °о

-¡л

2

5 е

{+? а-1 оо а» Ъ

Б 1+ 1+ 1+ Н-

>3 >° >° >° >°

о ГО 1л) ы го I

ю а» со оо

Ш О! I

ип ил ил ил ип ил О! ф ^ (Л ^ 1\)

ю ю о

т 1л оо I

^ Ц1 Ц1 ®

Ш "О

* я

о 1=

ол ^

си "С

а 3=

о 3=

ь з=

Скорость выделения диоксида углерода, г/ч-100 г сусла

ТЕМА НОМЕРА

СЫРЬЕ и МАТЕРИАЛЫ для ПРОИЗВОДСТВАПИВА и НАПИТКОВ

ва пива и ндп'

ш §

0

1 <

§

ш h

и ликероводочных изделий. — 2007. — № 2. — С. 10-11.

9. Баракова, Н. В. Исследование влияния ферментных препаратов на вязкость высококонцентрированных замесов из ячменя при производстве этилового спирта/Н. В. Баракова, В. Б. Тишин, А. В. Леонов // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2010. — № 4. — С. 24-26.

10. Йенсер, Э. Снижение вязкости при сбраживании сусла высокой концентрации // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2007. — № 4. — С. 23-26.

11. Ochoa S., Repke J. U., Ignatova M., Wozny G. Adaptive control of the Simultaneous Saccharification — Fermentation Process from Starch to Ethanol. Computer Aided Chemical Engineering. 2008, V. 25, pp. 489-494.

12. Полыгалина, Г. В. Технохимический контроль спиртового и ликероводочного производств/Г. В. Полыгалина // М.: Колос, 1999. — 336 с.

13. Устинова, А. С. Разработка технологии сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.07. М.: 2013. 22 с.

14. Srichuwong, S. Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of very high gravity (VHG) potato mash for the production of ethanol/Srichuwong S., Fujiwara M., Wang X. et al. // Biomass and bioenergy. 2009, V. 33, pp. 890-898.

15. Римарева, Л. В. Зависимость физиологической активности спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae 985-T и 987-О от экстремальных температур и осмоса/Л. В. Римарева, М. Б. Оверченко, Н. И. Игнатова // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2005. — № 2. — С. 25-26. &

Выбор способа подготовки сухих спиртовых дрожжей к сбраживанию ячменного сусла повышенной концентрации

Ключевые слова

брожение; сбраживаемая среда; сухие дрожжи; ячмень. Реферат

В настоящее время наиболее актуальное направление развития спиртовой промышленности — оптимизация производства за счет снижения потребления энергоресурсов и повышения концентрации перерабатываемых сред. Применение в технологии спирта более дешевого вида зернового сырья, в частности ячменя, приводит к снижению материальных затрат на сырье. Однако повышение концентрации сбраживаемой среды и использование в качестве сырья ячменя, который содержит большое количество некрахмальных полисахаридов, предъявляют повышенные требования к физиологическому состоянию и бродильной активности дрожжей. Физиологическое состояние дрожжей определяется способом их подготовки к сбраживанию, а также углеводным составом сбраживаемой среды. В статье рассмотрены способы подготовки сухих спиртовых дрожжей к брожению: непосредственное внесение сухих дрожжей в сбраживаемую среду, ре-гидратация в воде и реактивация в сусле. Изучено влияние на параметры сбраживания режима внесения ферментного препарата глюкоамилазы, формирующего углеводный состав сусла. Глюкоамилазу вносили либо после водно-тепловой обработки замеса и проводили осахаривание при 60 °С (традиционный способ осахаривания), либо непосредственно в начале брожения перед внесением дрожжей (метод одновременного осахаривания и брожения). Установлено, что для обеспечения наиболее эффективного сбраживания рекомендуется проводить реактивацию сухих спиртовых дрожжей непосредственно в ячменном сусле повышенной концентрации. Применение технологии одновременного осахаривания и брожения позволяет получать зрелую бражку с более высокими качественными показателями по сравнению с осахариванием традиционным способом.

Авторы

Кузнецова Ксения Александровна, студент; Баракова Надежда Васильевна, канд. техн. наук, доцент; Зайцева Мария Юрьевна, студент; Алимова Диана Сергеевна, аспирант

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики,

191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9,

[email protected], [email protected],

[email protected], [email protected]

Начётова Мария Александровна, канд. техн. наука

ООО «Лаллеманд дрожжи»,

196158, Санкт-Петербург, Дунайский проспект, дом 13, кор. 1, [email protected]

Selection of a Method for Preparing Dry Alcohol Yeast for Fermenting Barley Wort with Increased Concentration

Key words

fermentation; fermented medium; dry yeast; barley. Abstract

At present, the most topical direction of the development of the alcohol industry is the optimization of production through the reduction of energy consumption and the increase in the concentration of processed media. The use of a cheaper type of grain raw materials, in particular barley, in alcohol technology leads to a decrease in the material costs of raw materials. However, an increase in the concentration of fermentation medium and the use of barley, which contains a large number of non-starch polysaccharides as a raw material, raise the requirements for the physiological state and yeast fermentation activity. The physiological state of the yeast is determined by the way they are prepared for fermentation, as well as the carbohydrate composition of the fermentation medium. In the article methods of preparation of dry alcohol yeast to fermentation are considered: direct application of dry yeast into fermented medium, rehydration in water and reactivation in wort. The effect on the parameters of fermentation of the mode of application of the enzyme preparation glu-coamylase, which forms the carbohydrate composition of the wort, was studied. Glucoamylase was applied either after water-heat treatment of the batch and saccharification was carried out at 60 °C (traditional saccharification method), or directly at the beginning of fermentation before yeast application (simultaneous saccharification and fermentation method). It is established that in order to ensure the most effective fermentation, it is recommended to reactivate dry alcohol yeast directly in barley wort of increased concentration. The use of the technology of simultaneous saccharification and fermentation makes it possible to obtain mature marry with higher quality indices compared to saccharification in the traditional way.

Authors

Kuznetcova Ksenia Alexandrovna, Student;

Barakova Nadezhda Vasilyevna,

Candidate of Technical Science; Associated Professor;

Zaitzeva Maria Yuryevna, Student;

Almva Diana Sergeevna, Post-graduate Student

St. Petersburg National Research University Information Technologies,

Mechanics and Optics,

9 Lomonosova St., S.-Petersburg, 191002, Russia, [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Nachiotova Maria Alexandrovna, Candidate of Technical Science Lallemand Yeast,

13 kor. 1 Dunaiskiy Prospect, S.-Petersburg, 196158, Russia, [email protected]

22 ПИВО и НАПИТКИ 3 • 2017