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.