Влияние длительности культивирования спиртовых дрожжей на

УДК 664.15+661.72
Влияние длительности культивирования
спиртовых дрожжей на результаты
сбраживания мелассного сусла
JI.B. Левандовский, д-р техн. наук, профессор; О. В. Ничик, канд. техн. наук; А. А. Яковенко
Национальный университет пищевых технологий, г. Киев
Ключевые слова: спиртовые дрожжи, культивирование, мелассное сусло,
сбраживание,
дрожжегенерирование
Key words: distillers yeast, cultivating, molasses wort, fermentation, generating
Одним из вариантов п е р е р а б о т к и мелассы в п р о и з в о д с т в е с п и р т а в У к р а и н е и
России служит получение о д н о в р е м е н н о
двух целевых п р о д у к т о в — р е к т и ф и к о ванного спирта и прессованных хлебопекарных д р о ж ж е й [ 1 ] . Такое т е х н о л о г и ч е с к о е решение имеет ряд э к о н о м и ч е с к и х
преимуществ перед п р о и з в о д с т в о м этих
п р о д у к т о в на о т д е л ь н ы х п р е д п р и я т и ях — спиртовых и с п е ц и а л и з и р о в а н н ы х
д р о ж ж е в ы х [ 2 ] . При этом весь технологический процесс состоит из двух этапов:
выращивание продуцента спирта ( д р о ж ж е й ) с последующим с б р а ж и в а н и е м ими
углеводов в спирт.
Основной особенностью культивирования биомассы в т е х н о л о г и и совместного производства спирта и хлебопекарных
д р о ж ж е й в отличие от с п е ц и а л и з и р о в а н ного д р о ж ж е в о г о п р о и з в о д с т в а является с о ч е т а н и е д в у х п у т е й к а т а б о л и з м а
у г л е в о д о в : г л и к о л и з а (с о б р а з о в а н и е м
спирта) и цикла трикарбоновых кислот
(с о б р а з о в а н и е м к о н с т р у к т и в н ы х элементов для синтеза д р о ж ж е в ы х к л е т о к )
[ 3 ] . Несмотря на то что главной целью
стадии д р о ж ж е г е н е р и р о в а н и я является
накопление биомассы д р о ж ж е й , полностью п е р е к л ю ч и т ь м е т а б о л и з м п р о д у цента на а э р о б н о е о к и с л е н и е углеводов
н е ц е л е с о о б р а з н о . П р и ч и н о й этого, к а к
с ч и т а ю т исследователи [2, 4 ] , является
то, что ф у н к ц и о н а л ь н а я с п о с о б н о с т ь
а э р о б н о в ы р а щ е н н о й б и о м а с с ы не в
п о л н о й мере у д о в л е т в о р я е т т р е б о в а н и ям э ф ф е к т и в н о г о а н а э р о б н о г о с б р а ж и вания субстрата в с п и р т .
И с х о д я из э т о г о к у л ь т и в и р о в а н и е
д р о ж ж е й для р е а л и з а ц и и с п и р т о в о г о
с б р а ж и в а н и я Сахаров следует осуществлять в ч а с т и ч н о а э р о б н ы х у с л о в и я х ,
чтобы достичь п о в ы ш е н н о г о н а к о п л е н и я
yeast
биомассы продуцента, обладающей способностью эффективно (с максимальным
выходом) превращать углеводы в этанол.
Одним из о с н о в н ы х факторов при решении д а н н о й задачи является п р о д о л ж и тельность процесса культивирования.
В качестве основного компонента питательной среды использовали свеклосах а р н у ю мелассу, с о д е р ж а щ у ю 7 8 , 5 % сухих веществ (СВ) и 5 0 , 3 % с б р а ж и в а е м ы х
у г л е в о д о в . Сусло для к у л ь т и в и р о в а н и я
готовили путем разбавления мелассы водой до к о н ц е н т р а ц и и СВ 2 1 - 2 2 % и подк и с л е н и я 1 н. H 2 S0 4 до рН 5,2. Процесс
в ы р а щ и в а н и я д р о ж ж е й осуществляли на
х е м о с т а т н о й стендовой у с т а н о в к е в аппарате объемом 2,5 л при интенсивности
а э р и р о в а н и я 0 , 1 0 - 0 , 1 5 л / л мин и температуре 2 9 ± 1 °С. В качестве п р о д у ц е н т а
использовали д р о ж ж и Saccharomyces сеrevisiae, штамм У-563 [ 1 ] . Длительность
культивирования варьировали в пределах
6 - 1 6 ч путем установления соответствующей с к о р о с т и п р и т о к а сусла в аппарат
перистальтическим насосом.
Видимую и действительную концентрацию СВ сред а н а л и з и р о в а л и ареометр и ч е с к и м методом, рН и к и с л о т н о с т ь
среды — п о т е н ц и о м е т р и ч е с к и , величину
биомассы д р о ж ж е й — весовым методом,
ее з и м а з н у ю активность — газометрическим методом, к о н ц е н т р а ц и ю спирта —
п и к н о м е т р и ч е с к и , н е с б р о ж е н н ы е углеводы — к о л о р и м е т р и ч е с к и м методом с
р е з о р ц и н о в ы м реагентом [ 5 ] .
Результаты и с с л е д о в а н и й и их обс у ж д е н и е . Э к с п е р и м е н т а л ь н ы й материал, п о л у ч е н н ы й п р и и з у ч е н и и в л и я н и я
длительности д р о ж ж е г е н е р и р о в а н и я на
конечные результаты процесса, представлен в табл. 1.
С увеличением длительности культивирования д р о ж ж е й с б до 10 ч установлено
нарастание биомассы от 21,5 (б ч процесса) до 27,2 (8 ч) и 31,0 г / л (10 ч). Дальнейшее у в е л и ч е н и е п р о д о л ж и т е л ь н о с т и
процесса до 1 2 , 1 4 и 16 ч не повлияло на
данный показатель.
К о н ц е н т р а ц и я с п и р т а в среде после
культивирования поступательно увеличивалась с 4,35 (через б ч культивирования) до 7,90 о б . % (16 ч). В д а н н о м эксперименте интересным было проследить
показатель н а к о п л е н и я д р о ж ж е й о т н о сительно у р о в н я с п и р т о о б р а з о в а н и я : он
Таблица 1
Показатель
Видимая к о н ц е н т р а ц и я СВ, %
і Действительная к о н ц е н т р а ц и я СВ, %
Продолжительность процесса, ч
12
6
8
10
14
16
13,5
13,0
11,4
9,7
9,2
8,5
14,2
13,9
13,3
12,0
11,3
11,0 ;
і рН среды
5,3
5,2
5,3
5,3
5,2
5,3
! Кислотность, град
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
г / л среды
21,5
27,2
31,0
30,0
30,3
29,3
I г / м л спирта
0,49
0,46
0,51
0,43
0,40
0,37
і Зимазная активность дрожжей, м и н
18+1
17+1
16+2
18+1
21±1
22+1
• К о н ц е н т р а ц и я спирта, об. %
4,35
5,30
6,05
7,05
7,55
7,90
; Несброженные углеводы, г / 1 0 0 мл
7,25
6,60
4,87
3,55
1,22
0,59 ;
;
j Биомасса д р о ж ж е й 75%-ной влажности:
ПРОИЗВОДСТВО СПИРТА и Л И К Е Р 0 В 0 Д 0 Ч Н Ы Х ИЗДЕЛИЙ
Таблица 2
Продукты
метаболизма
Глицерин
Альдегиды
Высшие с п и р т ы
Л е т у ч и е кислоты
Эфиры
І
Единица
измерения
г / 1 0 0 мл среды
g
Продолжительность процесса, ч
g
і in
• 12 1 14
0,53
0,63
0,70
0,79
0,79
0,77 !
г / л 6. с.
122,1
118,0
115,2
113,0
104,5
97,3
об. %
0,070
0,068
0,038
0,028
0,017
0,016 :
16,1
12,8
6,3
4,0
2,3
м л / л б. с.
об. %
і
2,0
0,069
0,062
0,041
0,042
0,044
м л / л б. с.
15,9
11,7
6,8
6,0
5,8
4,9
м г / 1 0 0 мл среды
24,0
22,6
29,4
25,2
28,8
31,0
;
г / л б. с.
5,5
4,3
4,9
3,6
3,8
3,9
і
м г / 1 0 0 мл среды
11,7
12,7
11,5
9,4
9,0
8,8
:
г / л б. с.
2,6
2,4
1,9
1,3
1,2
ІД
1
0,039 і
Таблица 3
Показатели зрелой бражки
Видимая концентрация СВ, %
! Действительная концентрация СВ, %
j Продолжительность выращивания дрожжей, ч і
6
;
8
і
10
і
12
14
і
16
і
і
8,0
8,0
8,0
8,0
8,1
8,1
10,1
10,2
10,4
10,3
10,5
10,3
рН среды
5,3
5,3
5,3
5,3
5,4
5,3
і
Кислотность, град
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
і
. 32,6
34,2
38,2
36,0
34,3
35,0
27+2
16+1
14+1
14±1
18±1
20±2 :
8,0
7,9
8,1
7,95
7,9
7,95 :
: Биомасса дрожжей, г / л
Зимазная активность, м и н
Концентрация спирта, об. %
был максимальным при 6 - 1 0 ч культивир о в а н и я ( 0 , 4 6 - 0 , 5 1 г / м л спирта), а с возрастанием длительности процесса до 16 ч
постепенно уменьшался до 0,37 г / м л .
При этом з и м а з н а я а к т и в н о с т ь выращенной биомассы, которая характеризует
ее с п и р т о о б р а з у ю щ у ю способность, была
достаточно в ы с о к о й ( 1 6 - 1 8 мин) в вариантах с длительностью 6 - 1 2 ч, а в последних двух вариантах н е с к о л ь к о ослаблялась до 2 1 - 2 2 м и н .
Из п р и в е д е н н ы х д а н н ы х следует, что
при н а к о п л е н и и этанола в среде выше
6 об. %, т. е. в условиях выращивания биомассы длительностью более 10 ч, наступает и н г и б и р о в а н и е роста д р о ж ж е в ы х клеток образовавшимся спиртом. Об этом свидетельствуют показатели величины биомассы д р о ж ж е й и их зимазной активности.
В табл. 2 о т р а ж е н ы показатели б и о синтеза вторичных продуктов метаболизма д р о ж ж е й при их к у л ь т и в и р о в а н и и .
Следует отметить т е н д е н ц и ю к уменьшению количества альдегидов (от 0,07 до
0,016 о б . % ) и высших спиртов ( от 0,069
до 0,039 о б . % ) с возрастанием длительности процесса. Такая д и н а м и к а высших
спиртов согласуется с известными представлениями ученых о прямой зависимости величины о б р а з о в а н и я этой группы
веществ от величины прироста д р о ж ж е вой биомассы [ 2 ] .
ПРОИЗВОДСТВО
Определенной з а к о н о м е р н о с т и в к о личестве синтезируемых л е т у ч и х кислот
не выявлено, а с о д е р ж а н и е э ф и р о в сниж а е т с я в среде после 12, 14 и 16 ч выращивания д р о ж ж е й ( 9 , 4 - 8 , 8 м г / 1 0 0 мл)
в с р а в н е н и и с их к о л и ч е с т в о м после
6 - Ю ч культивирования биомассы ( 1 1 , 6 12,7 м г / 1 0 0 мл).
При а н а э р о б н о м д о б р а ж и в а н и и сред,
характеристика которых приведена в
табл. 1 и 2, получены зрелые б р а ж к и с показателями, представленными в табл. 3.
Следует отметить, что длительность анаэробной стадии брожения дополняла общую продолжительность процесса до 24 ч.
Колебания концентрации спирта в зрелых б р а ж к а х рассматриваемых вариантов
( 7 , 9 - 8 , 1 о б . % ) не имели о п р е д е л е н н о й
з а к о н о м е р н о с т и в з а в и с и м о с т и от длительности д р о ж ж е г е н е р и р о в а н и я .
Накопление д р о ж ж е й в зрелых б р а ж ках при 1 0 - 1 2 ч д р о ж ж е г е н е р и р о в а н и я
было большим, чем при 6-часовом их выр а щ и в а н и и ( 3 8 , 2 - 3 6 , 0 против 32,6 г / л ) .
Эти ж е варианты были более предпочтительными и по показателю з и м а з н о й а к тивности д р о ж ж е й (14 против 27 мин).
Количество глицерина и летучих кислот имело т е н д е н ц и ю к некоторому увел и ч е н и ю от первого до последнего варианта, а глубина с б р а ж и в а н и я углеводов в
зрелых б р а ж к а х была наибольшей в случае выращивания д р о ж ж е й в течение 10
и 12 ч (0,23 и 0,24 г / 1 0 0 мл). Накопление
альдегидов, высших спиртов и эфиров во
всех вариантах колебалось в пределах
погрешности методов их анализа.
Т а к и м о б р а з о м , по с о в о к у п н о с т и
основных результатов процесса с б р а ж и вания мелассного сусла к о н ц е н т р а ц и е й
2 1 - 2 2 % СВ с целью п о в ы ш е н и я н а к о пления д р о ж ж е й и д о с т и ж е н и я наивысшей их з и м а з н о й а к т и в н о с т и п р е д п о ч т и тельной длительностью культивирования
м о ж н о считать 8 - 1 0 ч.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Вместе с тем в пересчете на е д и н и ц у
объема н а к о п л е н н о г о спирта количество
всех вышеуказанных вторичных п р о д у к тов уменьшается с у в е л и ч е н и е м длительности процесса.
К о н ц е н т р а ц и я глицерина в среде нес к о л ь к о увеличивается от 0,53 (6 ч процесса) до 0,77 г / 1 0 0 мл (12 ч), а в следующих вариантах ( 1 4 и 16 ч) п р а к т и ч е с к и
не изменяется. Однако в пересчете на количество безводного спирта (б. с.) имеет
место постепенное с н и ж е н и е накопления
глицерина с 122,1 (6 ч) до 97,3 г / л б. с.
1. Типовой технологический регламент получе-
(16 ч).
3. Маринченко,
П р и в е д е н н ы е результаты п о з в о л я ю т
сделать вывод об ослаблении интенсивности образования вторичных продуктов метаболизма д р о ж ж е й в с р а в н е н и и
со с к о р о с т ь ю о б р а з о в а н и я с п и р т а п р и
длительности выращивания биомассы с 6
до 16 ч. Указанное позволяет расширить
существующее представление о б и о х и м и ческих процессах на стадии д р о ж ж е г е н е р и р о в а н и я в т е х н о л о г и и спирта.
ния мелассно-сгжртовой бражки и прессованных хлебопекарных д р о ж ж е й . — Киев: Украинский научно-исследовательский институт
спирта и биотехнологии продовольственных
продуктов; Министерство аграрной политики
Украины, 2004. — 62 с.
2. Левандовский,
Л. В. Научное обоснование и
разработка прогрессивных технологий спирта
и хлебопекарных дрожжей из мелассы в спиртовом производстве: автореф. дис. . . . докт.
техн. наук: 05.18.07/УГУПТ/Л. В. Левандовский. — Киев, 1995. — 43 с.
В. А. Технология спирта/В. А. Ма-
ринченко [и д р . ] ; под ред. В. А. Маринченко. — Винница: Подолье — 2000, 2003. —
496 с.
4. Пирог,
Т. П. Общая биотехнология: учеб-
ник/Т. П. Пирог, 0. А. Игнатова. — Киев: НУПТ,
2009. — 336 с.
5. Полыгалина,
Г. S. Технохимический контроль
спиртового и л и к е р о в о д о ч н о г о
производ-
ства/Г. В. Полыгалина. — M.: Колос, 1999. —
336 с.