Дрожжи, обитающие на винограде, в виноградном сусле и вине

(по данным И. Хиггинса и др., 1988)

В настоящее время широко применяются дрожжевые закваски. Связано это с тем, что желаемая микрофлора может отсутствовать, а инокуляция стандартной культурой дрожжей позволяет получать вина с заданными свойствами. Использование заквасок дает ряд преимуществ: сокращается лаг-период размножения дрожжей, образуется продукт с желаемыми свойствами, уменьшается вероятность появления нежелательного вкуса. Смешанные закваски позволяют получать продукцию с полным букетом, что невозможно при работе с индивидуальными штаммами.

После завершения спиртового брожения вино могут подвергать яблочно-молочнокислому дображиванию, предварительно удалив дрожжи. Этот этап брожения осуществляется молочнокислыми бактериями, в частности Leuconostoc, Lactobacillus и Pedicoccus. Брожение не идет при низких значениях рН, так как при таких условиях его можно подавить. Для инициации броже­ния вместо бактерий применяют иммобилизованные ферменты.

Некоторые сорта вин получают при использовании микроскопического гриба Botrytis cinerea. Развитие гриба на ягодах приводит к их обезвоживанию и повышению содержания сахара, что определяет сладкий вкус вина.

В крепленых винах (портвейн, херес, мадера) часть этанола образуется при сбраживании винограда дрожжами, а часть добавляется.

На рис. 1.16 приведена функциональная схема производства красного виноградного вина.

Пути модификации существующих технологий для совершенствования вкусовых и ароматических качеств вин, придания им заданных свойств будут определяться выбором более эффективных штаммов винных дрожжей и комплексных дрожжевых заквасок.

Рис. 1.16. Функциональная схема производства красного виноградного вина

Спиртовое брожение — один из самых изученных биохимических процессов. Чаще всего его вызывают дрожжи, реже — некоторые бактерии (Sarcina) и микромицеты (Мисог). В промышленности дрожжи обычно разделяют на верховые и низовые. Верховые дрожжи интенсивно ведут брожение и труднее осаждаются. К ним принадлежат спиртовые и хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae, а также винные дрожжи Saccharomyces elipsoideus (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Клетки дрожжей:

а — Saccharomyces cerevisiae; б — Saccharomyces elipsoideus

К низовым дрожжам относятся виды, используемые в технологии пива.

В основе спиртового брожения лежит разрушение углеводов до этанола и диоксида углерода по следующему суммарному уравнению:

С₆Н₁₂О₆→2СН₃СН₂ОН + 2СО₂ +117 кДж.

Начало метаболизма глюкозы идет по схеме гликолиза, в результате образуется пировиноградная кислота. При декарбоксилировании пировиноградной кислоты образуется ацетальдегид в результате гидрогенизации которого образуется этанол по уравнению

На начальном этапе брожения (период индукции) водород соединяется с глицеральдегидом, восстанавливая его до глицерина. В среде накапливаются глицерин, ацетальдегид и СО₂.

При образовании в гидролизуемой смеси определенного количества глицеральдегида ход реакции меняется и процесс переходит в стадию стационарного брожения, где акцептором водо­рода становится ацетальдегид, и образуется этанол (рис. 1.18).

Если в питательную смесь добавить сульфиты, связывающие ацетальдегид, то в процессе брожения можно получить значительное количество глицерина, что успешно применяется в промышленности. В этом случае суммарное уравнение брожения примет следующий вид:

С₆Н₁₂О₆ → СН₂ОНСНОНСН₂ОН + СН₃СНО + СО₂.

В процессе спиртового брожения в смеси могут накапливаться различные высшие спирты — изоамиловый, амиловый и изобутиловый по уравнению

R–CH–NH₂–COOH + Н₂О → R–CH₂OH + NH₃+CО₂.

Однако это мнение спорно. Предполагают, что высшие спирты образуются из продукта гликолиза — пировиноградной кислоты путем аминирования ее до аланина, который, в свою очередь, переаминируется в соответствующую кетокислоту. В условиях спиртового брожения кетокислоты, восстанавливаясь, образуют высшие спирты.

Рис. 1.18. Схема образования этанола

В производстве этанола используются штаммы дрожжей Saccharomyces. При выработке рома с сильным запахом применяют штаммы дрожжей Schizosaccharomyces. Процесс образования этанола ускоряется бактериями Clostridium saccharobutyricum. Самый лучший ром получают при соотношении бактерий и дрожжей 1:5.

Штаммы дрожжей, используемые в спиртовой промышленности, должны сохранять жизнеспособность до концентрации этанола 12—15 об.%. Они должны обладать способностью гидролизовать низкомолекулярные олигосахариды до глюкозы, что необходимо для полного превращения крахмала в этанол и диоксид углерода.

Этанол пищевого назначения получают из крахмалсодержащих пищевых продуктов и сахарсодержащего сырья.

При получении этанола из крахмалсодержащего сырья клей-стеризованный крахмал осахаривают при помощи неферментированного солода и ферментных препаратов, содержащих a-амилазу, β-амилазу, глюкоамилазу.

Для культивирования микроорганизмов при получении ферментных препаратов, используемых для интенсификации биотехнологических процессов при производстве этанола, используют микроскопические грибы: при поверхностном культивировании — Aspergillus oryzae и Aspergillus awamori, при глубинном — Aspergillus awamori 446 и иногда ВУД-Т2. На спиртовых заводах США применяют высокоактивный штамм Aspergillus awamori NRRL-3112, в России — высокоактивный по глюкоамилазе штамм Aspergillus awamori 466 и ВУД-Т2, выращиваемые на концентрированном кукурузном сусле с содержанием 18 % СВ.

Амилолитические ферменты синтезируют также некоторые дрожжи и дрожжеподобные грибы следующих родов: Saccharomyces, Candida, Endomycopsis и Endomyces. В спиртовом производстве нашли применение Endomycopsis bispora и Endomycopsis species 20-9, выращиваемые глубинным способом. Из-за отсутствия других ферментов их используют в комплексе с ферментными препаратами из микроскопических грибов или бактерий.

Активные амилазы способны синтезировать следующие бактерии: Bacillus subtilis, Bacillus diastaticus, Bacillus mesentericus, Bacillus macerans и Bacillus polymycus.

Бактерии — продуценты амилолитических ферментов — это палочки длиной 1,2—1,3 мкм и диаметром 0,6—0,8 мкм. Они соединяются по две, три, иногда образуют цепочки. Особенностью бактерий является их способность образовывать высокоактивную термостойкую a-амилазу, необходимую для разжижения и декстринизации клейстеризованного крахмала на стадии подваривания замесов и осахаривания сусла.

Пока углеводы не переведены в форму, усваиваемую дрожжами, брожения не происходит. Добавление ферментов (амилазы из культуральной жидкости штаммов Bacillus subtilis и амилоглюкозидазы из культур грибов Aspergillus niger), гидролизующих крахмал, ускоряет этот процесс. Ферменты, используемые для осахаривания и при спиртовом брожении, приведены ранее (см. табл. 1.9).a-Амилаза расщепляет амилозу и амилопектин до декстринов, которые, в свою очередь, гидролизуются β-амилазой до мальтозы, а глюкоамилазой до глюкозы. При ферментативном гидролизе в клейстеризованном крахмале остается 20—30 % промежуточных продуктов, которые гидролизуются в ходе брожения, поэтому ферменты сохраняются до конца процесса брожения.

Этанол получают также из мелассы, которая является одним из побочных продуктов производства сахара из свеклы. В ней содержится 75—83 % СВ. В том числе (%): сахаров 44—53 (сахарозы до 51%); инвертного сахара 0,1—1,2; раффинозы 0,1—1; кетозы 0,1—0,4; азотистых веществ 14,5—15,0; безазотистых веществ и золы 8,5—12.

В свеклосахарной мелассе содержатся витамины: рибофлавин, тиамин, никотиновая и пантотеновая кислоты, пиридоксин, биотин и др. Минеральная часть несахаров мелассы состоит из сульфатов, хлоридов, карбонатов и фосфатов калия, натрия, кальция и железа.

При комплексной переработке мелассы в спиртовом производстве кроме этанола получают углекислоту и хлебопекарные дрожжи, а при переработке послеспиртовой мелассной барды (отход спиртового брожения) — кормовые дрожжи, глутаминовую кислоту, бетаин и его производные, витамин В₁₂ и удобрения.

В состав раффинозы входит по одной молекуле фруктозы, глюкозы и галактозы. При действии β-фруктофуранозидазы дрожжей раффиноза частично расщепляется с образованием дисахарида мелибиозы и фруктозы. Последняя сбраживается дрожжами, а мелибиоза остается несброженной, поэтому коэффициент сбраживания раффинозы равен 0,34. Кестоза состоит из двух молекул фруктозы и одной молекулы глюкозы, которые сбраживаются полностью.

Минеральные соли, определяющие буферность мелассы, в небольших дозах используются дрожжами, но некоторые из них задерживают брожение. Повышенное содержание SО₂ в мелассе (0,03 % и больше) тормозит размножение дрожжей и замедляет процесс сбраживания.

Такие мелассы обрабатывают хлорной известью в течение 5—6 ч при периодическом перемешивании:

SО₂ + СаОС1₂ + Н₂О → H₂SО₄ + СаС1₂.

Эта реакция проходит более интенсивно в кислой среде.

Для получения этанола пригодны тростниково-сахарная меласса — продукт, получаемый при переработке тростникового сахара-сырца на белый сахар, рафинадная меласса — при получении сахара-рафинада и тростниковая меласса — при производстве сахара из сахарного тростника.

Технология получения этанола из мелассы основана на ферментативном сбраживании сахаров дрожжевыми микроорганизмами и состоит из следующих основных процессов (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Технологическая схема производства этанола из мелассы

Для сбраживания мелассного и смешанного мелассно-сахарного сусла в спирт необходимы культуры дрожжей, наиболее приспособленные к сбраживанию сахаров в условиях больших концентраций солей в несахарной группе мелассы и к высокому осмотическому давлению в среде культивирования (табл. 1.11).

В технологии спирта применяются следующие культуры дрожжей: дрожжи расы В и ее модификации В_л и В₃₀, раса V-30 гибридные дрожжи Г-67, Г-73, Г-75, Г-105, Г-112 и осмофильныё дрожжи М-5.

Для получения наряду со спиртом большого количества дрожжей, используемых в качестве хлебопекарных, с повышенной a-глюкозидазной активностью сусло сбраживают на первой стадии гибридными дрожжами Г-112, а на второй – дрожжами расы В.

Таблица 1.11