Оптимальная температура для действия микробных альфа-амилаз различных продуцентов: Bacillussubtilis 70 0C, Bacillusdiastaticus 80 0C, Aspergillusbatatae 60 0C, Aspergillusoryzae (50…52) 0C, Aspergillusawamori 55 0C.
При температуре брожения 30 0С гидролиз крахмала бактериальными термостабильными альфа-амилазами почти прекращается, а альфа-амилазы солода и плесневых грибов продолжают катализировать гидролиз крахмала и декстринов, поэтому бактериальную альфа-амилазу применяют для разжижения замеса, а на стадии осахаривания применяют альфа-амилазы солода или плесневых грибов.
Бета-амилазы ферментные препараты не содержат.
Широко применяются ферментные препараты, содержащие глюкоамилазу, катализирующую гидролиз альфа-1,4 и альфа-1,6-связей в молекуле крахмала до глюкозы и декстринов, действуя с нередуцирующего конца молекул крахмала.
Оптимальная температура для микробнойглюкоамилазы разных продуцентов: Rhizopusdelemar (55…60) 0C, Aspergillusawamori 55 0C, Aspergillusbatatae (58…60) 0C.Осахаривание продолжается и при температуре брожения 30 0С.
Большинство микробныхглюкоамилаз имеют оптимум рН (3,5…5,5), что не совпадает с рН разваренной массы. В отечественной практике не применяют корректирование рН, в то время, как в США обязательно корректируют рН замеса до (5,8…6,0) и рН охлаждённой разваренной массы до 4,5 для достижения оптимума для действия того или иного фермента, источником которого является ферментный препарат.
При осахаривании с применением ферментных препаратов, содержащих глюкоамилазу, скорость гидролиза конечных декстринов, особенно при температуре брожения, заметно выше скорости гидролиза конечных декстринов ферментами солодов, в результате чего сбраживание идёт быстрее при использовании ферментных препаратов, поскольку скорость гидролиза конечных декстринов до сбраживаемых сахаров является лимитирующим фактором, от которого зависит скорость дображивания в производстве спирта.
При использовании для осахаривания крахмала ферментов смеси солодов в течение первых 30 мин осахаривания в осахаривателе быстро увеличивается количество мальтозы (до
% в эквивалентах глюкозы). Количество образующейся глюкозы относительно невелико (около 2 % в эквивалентах глюкозы).
При использовании амилолитических ферментных препаратов в течение первых 30 мин осахаривания количество мальтозы достигает примерно 19 % в эквивалентах глюкозы, а количество глюкозы возрастает примерно до 8 % в эквивалентах глюкозы.
В ходе дальнейшего осахаривания (до 600 мин) при использовании ферментов смеси солодов количества мальтозы и глюкозы фактически не меняются, а при использовании ферментов ферментных препаратов количество мальтозы через 240 мин осахаривания достигает 32 % в эквивалентах глюкозы, а к 600 мин снижается до 29 % в эквивалентах глюкозы. Количество глюкозы во время осахаривания постоянно увеличивается и через 600 мин осахаривания доходит примерно до 20 % в эквивалентах глюкозы.
Важными факторами обеспечения высокой активности ферментов являются их концентрация и скорость гидролиза крахмала. Бесконечное увеличение концентрации ферментов за счёт увеличения дозы осахаривающих средств не приводит к пропорциональному ускорению гидролиза крахмала из-за эффекта насыщения и из-за ингибирования ферментов конечными продуктами гидролиза. Только на начальной стадии гидролиза наблюдается пропорциональная зависимость концентрации ферментов и скорости гидролиза.
В отличие от смеси свежепроросших солодов, содержащих активный сбалансированный комплекс амилолитических, протеолитических и цитолитических ферментов, ферментные препараты микробного происхождения обычно содержат один высокоактивный фермент (в спиртовом производстве - амилолитический).
При осахаривании с применением солодового молока в сусле накапливаются не только продукты гидролиза крахмала, но и продукты гидролиза белков (аминокислоты и пептиды). Значительное количество аминокислот накапливается под действием протеолитических ферментов во время солодоращения и переходит в солодовое молоко и сусло путём экстрагирования. В сусле содержится достаточное количество углеводов и аминокислот для нормальной жизнедеятельности дрожжей.
Иная ситуация возникает при полной замене ферментов солода ферментами микробных амилолитических ферментных препаратов, особенно высокой степени очистки. Меняется углеводный состав сусла в количественном отношении: в сусле мальтоза и глюкоза находятся почти в равных количествах. В разваренной массе относительно мало свободных аминокислот, а в очищенном амилолитическом ферментном препарате нет протеолитических ферментов, способных гидролизовать белки до аминокислот. Сусло имеет азотистый состав, неблагоприятный для нормальной жизнедеятельности дрожжей.
В сусло, направляемое на размножение дрожжей, добавляют солодовое молоко в качестве источника аминокислот и витаминов или грибной протеолитический ферментный препарат, чтобы получить в сусле достаточное количество аминокислот.
В сусло, направляемое на сбраживание, в настоящее время в России не вносят протеолитические ферментные препараты, поскольку они дороги, однако, рекомендации по их применению уже разработаны. В США добавляют в осахариватель и амилолитические, и протеолитические ферментные препараты.
3.Процессы, происходящие на стадии брожения в производстве спирта
В производстве спирта сбраживают сусло, приготовленное либо из крахмалистого сырья, либо из сахаристого сырья, либо из смеси крахмалистого и сахаристого сырья.
Состав каждого из вышеуказанных видов сусла неодинаков по углеводному и азотистому составу, по кислотности, по содержанию сухих веществ и сбраживаемых сахаров.
Для сбраживания применяют разные расы дрожжей вида Saccharomycescerevisiae, которые продуцируют этиловый спирт, двуокись углерода, вторичные и побочные продукты спиртового брожения в разном количественном соотношении.
Нормальной для жизнедеятельности большинства рас спиртовых дрожжей является температура (29…31) 0С, однако они сохраняют жизнеспособность и при температуре близкой к
С, и при температуре 38 0С. При температуре выше 45 0С дрожжевые клетки погибают и подвергаются автолизу с участием внутриклеточных ферментов, в первую очередь протеолитических.
В условиях производства спирта повышение температуры в бродильном аппарате создаёт благоприятные условия для активного размножения диких дрожжей и кислотообразующих бактерий. Дикие дрожжи способны потреблять этиловый спирт, они угнетают спиртовые дрожжи. Кислотообразующие бактерии (в первую очередь молочнокислые) выделяют кислоты, которые в недиссоциированном виде способны проникать в дрожжевые клетки и, изменяя внутриклеточный рН, подавлять их развитие. В бражке остаются несброженных сахара. При понижении рН сусла инактивируются амилолитическиеферменты и часть декстринов остаётся недоосахаренной.
От величины рН сусла зависит активность ферментов дрожжей. Дрожжи сохраняют жизнеспособность при рН от 2 до 8, если в сусле отсутствуют недиссоциированные кислоты, например, сернистая. Выращивать дрожжи предпочтительно при рН от 4,8 до 5,2.
При рН ниже 4,2 создаются условия, в которых дрожжи более жизнеспособны, чем молочнокислые бактерии. Это свойство дрожжей используют для подавления развития бактерий в сусле, предназначенном для выращивания дрожжей в производстве спирта. Дрожжевое сусло подкисляют либо серной кислотой, либо молочной кислотой, синтезируемой термофильными молочнокислыми бактериями, которые затем убивают с помощью пастеризации перед засевом в сусло дрожжей.
Усвоение и сбраживание дрожжевой клеткой различных углеводов описано в предыдущих лекциях.
Следует отметить особенность сбраживания углеводов при непрерывном способе сбраживания в производстве спирта. В сбраживаемом сусле остаётся больше мальтозы, чем при периодическом брожении, так как происходит непрерывный приток свежего сусла, содержащего большое количество глюкозы, ингибирующей систему переноса и гидролиза мальтозы.
Азотистое питание дрожжей в производстве спирта из крахмалистого сырья не отличается от азотистого питания в производстве пива. Для производства спирта из сахаристого сырья характерно добавление в сусло солей аммония, мочевины в качестве источников азотистого питания дрожжей.
Фосфорное питание дрожжей характерно тем, что в анаэробных условиях дрожжи усваивают из сусла фосфаты в основном в начальный период брожения. Потребляется (80…90)% фосфатов от максимального содержания фосфатов в дрожжевых клетках.
Молодые, энергично размножающиеся дрожжевые клетки через 6 ч брожения содержат 2,15 % Р2О5 на сухое вещество, а к концу брожения непочкующиеся старые клетки содержат 1 % Р2О5 на сухое вещество, что свидетельствует о снижении потребности в энергии.
В сусле из крахмалистого сырья содержится достаточное количество фосфатов, а в сусло из сахаристого сырья их приходится добавлять в виде ортофосфорной кислоты или соли диаммонийфосфата.
Сернистая, азотистая и фтористоводородная кислоты и их соли препятствуют нормальному росту и размножение дрожжевых клеток, находясь в очень низкой концентрации, (5…25) х 10-4 %.
К органическим кислотам дрожжевые клетки относятся по - разному.
Дрожжи могут усваивать в качестве источника углерода и энергии такие органические кислоты, содержащие от 2 до 5 атомов углерода, как уксусная, пировиноградная, молочная, кислоты цикла трикарбоновых кислот.
Масляная и капроновая кислоты ингибируют дрожжи, особенно при рН 4, в концентрации 0,02 %. Муравьиная и пропионовая кислоты также ингибируют дрожжевые клетки.
Муравьиный альдегид (формалин), широко применяемый в качестве дезинфектанта в производстве спирта, в концентрации 0,001 % тормозит почкование дрожжей, а в концентрации 0,09 % снижает их бродильную активность.
Жирные органические кислоты, содержащие от 6 до 10 атомов углерода, в меньшей степени могут усваиваться дрожжами, причём только в малых концентрациях, от 0.02 до 0,05 %. Более высокие концентрации этих кислот подавляют развитие дрожжей.
Жирные органические кислоты с 12…17 атомами углерода в молекуле усваиваются дрожжами избирательно.
С середины ХХ века в производство спирта в нашей стране началось активное внедрение непрерывно-поточного способа брожения.
Поскольку в установившемся режиме в каждом аппарате бродильной батареи поддерживаются строго определённые постоянные условия, то удалось исследовать особенности поверения дрожжевых клеток на разных стадиях брожения в непрерывном режиме.
В головном чане бродильной батареи превращается в спирт до 80 % от общего количества сбраживаемых углеводов и постоянно присутствует спирт в концентрациях от 5 до 8 %. Одновременно с энергичным сбраживанием сахаров происходит размножение дрожжевых клеток. Чтобы снизить потери сахаров на размножение, было предложено возвращать часть бражки с активно бродящими дрожжевыми клетками из 2…4 аппаратов бродильной батареи в головной чан, чтобы обеспечить более глубокое сбраживание сахаров, повысить концентрацию дрожжей в головном чане. Продолжительность пребывания единицы объёма сусла в бродильной батарее снижается до 51 ч с рециркуляцией бражки по сравнению с 56 ч без рециркуляции.
В условиях периодического брожения размножение дрожжей предшествует активному брожению и подавляется из-за уменьшения количества сбраживаемых углеводов в сусле.
В головном чане бродильной батареи нет недостатка углеводов из-за непрерывного притока свежего сусла.
К недостаткам конструкции аппаратов, используемых для непрерывно-поточного сбраживания, относятся: 1) возможность задержки части бражки в «мёртвых зонах» аппаратов, что способствует угнетению части дрожжей и развитию инфекции, 2) проскок свежего сусла в следующие бродильные аппараты, что нарушает установившийся режим брожения.
Из-за опасности развития инфекции аппараты бродильной батареи через каждые 48 ч поочерёдно останавливают для проведения дезинфекции, которая проводится недостаточно эффективно из-за неудовлетворительной конструкции аппаратов и прилегающих к ним коммуникаций.
Концентрацию дрожжевых клеток в головном чане батареи стараются поддерживать на уровне (90…120) млн клеток в см3 за счёт уравновешивания скорости притока сусла и скорости размножения дрожжевых клеток. Если нарушить этот баланс, то может возникнуть либо дефицит питательных веществ из-за недостаточной скорости их притока, либо наступит « вымывание» клеток и снижение их концентрации, если скорость их размножения будет меньше скорости притока свежего сусла.