CC BY
222
УДК 664:663.531
Т. А. Ямашев, Н. К. Романова, Н. Н. Симонова,
О. А. Решетник
АНТИМИКРОБНАЯ ОБРАБОТКА РЖАНОГО ЗАМЕСА В ТЕХНОЛОГИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА
Исследовано влияние перекиси водорода, добавляемой на II ступени гидротермической обработки зернового замеса, на выживаемость микроорганизмов в разваренной массе, и основные показатели, характеризующие спиртовое брожение. Показано, что перекись водорода, в исследуемом диапазоне концентраций, эффективно снижает микробную обсемененность разваренной массы. Выявлено, положительное влияние проведения дезинфекции зернового замеса на технологические показатели зрелой бражки и выход этилового спирта.
Повсеместное распространение, в спиртовой промышленности механикоферментативной схемы разваривания зернового замеса, характеризующейся пониженными температурами обработки, серьезно обострило проблему микробной контаминации технологического процесса [1,2]. В результате развития посторонней микрофлоры происходит повышенное накопление органических кислот, а также других метаболитов, снижающих бродильную активность дрожжей и ухудшающих качество этанола, возрастают потери крахмалсодержащего сырья с несброженными углеводами [3].
В основном микроорганизмы-контаминанты попадают в технологический цикл с зерном и водой [1,2,4,5]. Существующие в настоящее время режимы гидротермической обработки водно-зерновых замесов предусматривают, в случае необходимости, их стерилизацию при 105 °С в течение 30 минут, что явно недостаточно для таких грубодисперсных систем [4]. Исходя из экономических соображений, на большинстве спиртзаводов температура разваривания не превышает 95 °С, что приводит к сохранению жизнеспособности микробных клеток в сусле.
Для предотвращения развития посторонних микроорганизмов в спиртовой промышленности применяются антибиотики (лактоцид, лактрол, вирджинамицин, монензин) [3,6,7], химические дезинфектанты (формалин, сернистая кислота, хлор) [3,5], ультрафиолетовое и гамма излучение [8], обработка ультразвуком [4]. Применяемые технологические приемы имеют ряд недостатков: высокая стоимость антибиотиков, усложнение технологической схемы, а применение гамма излучения несет потенциальную опасность для обслуживающего персонала. Следует отметить, что в случае нарушений режимов использования антибиотиков велика вероятность появления антибиотикорезистентных штаммов микроорганизмов, а формалин и сернистая кислота токсичны для дрожжей [3].
Очевидно, что для эффективного снижения уровня микробной контаминации полупродуктов спиртового производства требуется вещество, обладающее широким спектром антимикробного действия, но при этом не оказывающее негативного воздействия на клетки дрожжей. Подобное сочетание на стадии брожения трудно осуществимо, следовательно, необходимо интенсифицировать поиск иных путей решения проблемы инфекции в спиртовой промышленности. Одним из таких путей может являться применение антимикробного соединения на более ранних этапах производства спирта, до внесения дрожжевой
культуры. В данной работе использовалась перекись водорода, для дезинфекции зернового замеса на стадии разваривания.
Применение перекиси водорода в пищевой промышленности весьма перспективно вследствие целого ряда преимуществ: отсутствие загрязнения обрабатываемого зерна посторонними продуктами разложения, неспецифичность бактерицидного и фунгицидного действия, отсутствие красящей способности, и сравнительная дешевизна [9].
Целью настоящей работы являлось исследование влияния различных концентраций перекиси водорода при обеззараживании полупродуктов спиртового производства, на выход этанола.
Результаты и их обсуждение
Основным показателем сырья в спиртовой промышленности, является содержание в нем сбраживаемых углеводов [10]. Углеводный комплекс ржи состоит главным образом из крахмала, незначительного содержания низкомолекулярных гексоз, гемицеллюлоз и клетчатки [11]. Наибольший интерес представляет содержание крахмала и низкомолекулярных гексоз, т.к. именно в результате конверсии данных углеводов ферментными препаратами и клетками дрожжей происходит образование этанола. В данной работе, для количественной оценки содержания сбраживаемых углеводов определяли общее содержание редуцирующих веществ в гидролизатах зерна или его спиртовых вытяжек после осаждения белков [10]. Характерной особенностью ржи является относительно большое, по сравнению с другими злаковыми культурами, содержание пентоз и пентозанов (слизей) [11]. Пентозы относятся к несбраживаемым углеводам, но обладают, как и гексозы, редуцирующими свойствами и завышают результаты анализа. Для корректировки полученных результатов содержание пентоз и пентозанов определяли отдельно. Углеводный комплекс ржи представлен в табл. 1.
Таблица 1 - Углеводный комплекс ржи
Крахмал, % на с.в. Спирторастворимые углеводы, % на с.в. Пентозы и пентозаны, % на с.в.
61,1±0,1 3,8±0,01 10,7±0,1
Основываясь на литературных данных [11] можно сказать, что количественное содержание углеводных фракций в исследуемом зерне, находилось в пределах нормы, для данной зерновой культуры.
Микробная обсемененность разваренной массы, необработанной перекисью водорода, составила 6-105±30000 КОЕ/мл. Количественное содержание микроорганизмов в разваренной массе после обработки перекисью водорода представлено в табл. 2.
Как видно из представленных данных количество микроорганизмов в зерновом замесе резко снижалось после обработки перекисью водорода, во всем диапазоне исследуемых концентраций. Известно, что перекись водорода проявляет антимикробные свойства, начиная с концентрации 0,1 % и выше [9,12]. В нашем случае наименьшая эффективная концентрация составила 0,03 %. Снижение летальной концентрации перекиси водорода, вероятно, обусловлено совместным действием перекиси водорода и температуры.
Известно, что в результате жизнедеятельности дрожжей и бактерий в сусле происходит накопление органических кислот, при этом снижается рН среды и повышается ее титруемая
Таблица 2 - Количественное содержание микроорганизмов в разваренной массе после обработки перекисью водорода
Концентрация, Н2О2, % Количество микроорганизмов, КОЕ/мл
0 (контроль) 6-105±30000
0,03 600±100
0,05 10±3
0,07 8±2
0,1 0
кислотность [3]. При нормальном протекании процесса брожения кислотность сусла нарастает не более чем на 0,20 град [10]. Сверхнормативное увеличение кислотности на 0,1 град соответствует затратам 0,6 % от всех сбраживаемых углеводов, и вызывает снижение выхода спирта на 0,20-0,23 дал из 1 т условного крахмала [10]. Повышенное содержание в сусле летучих органических кислот подавляет размножение дрожжей и ускоряет их отмирание. Так, масляная кислота в концентрации 0,0005 % подавляет развитие дрожжей [3]. Кроме того при снижении рН сусла ниже 4,2 происходит частичная инактивация а-амилазы [3,10]. Все это приводит к повышенному содержанию в зрелой бражке несброженных сахаров, и нераство-ренного крахмала. Изменение титруемой кислотности и рН сусла представлено в табл. 3.
Таблица 3 - Влияние различных концентраций перекиси водорода на физикохимические характеристики сусла
Наименование показателя Концентрация перекиси водорода, %
0 0,03 0,05 0,07 0,1
Титруемая кислотность осахаренной массы, град. * 0,3 0,3 0,31 0,32 0,34
Титруемая кислотность зрелой бражки, град * 0,5 0,48 0,47 0,45 0,46
А, град. 0,2 0,18 0,16 0,13 0,12
рН осахаренной массы ** 5,72 5,61 5,58 5,56 5,53
рН зрелой бражки ** 4,50 4,54 4,54 4,55 4,55
А рН -1,22 -1,07 -1,04 -1,01 -0,98
* - погрешность определения ± 0,01 град;
** - погрешность определения ± 0,02 ед. рН.
Как следует из таблицы 3, во всех исследуемых образцах бражек наблюдали обратную зависимость между увеличением концентрации перекиси водорода и нарастанием титруемой кислотности.
Добавление перекиси водорода сдвигало рН осахаренной массы в кислую сторону, по всей видимости, это связано с тем, что перекись водорода является слабой кислотой и диссоциирует на ионы Н+ и ООН" [9,12].
Более низкое нарастание кислотности в опытных образцах бражек по сравнению с контрольной, по всей видимости, обусловлено подавлением перекисью водорода жизнедеятельности инфицирующей микрофлоры.
О правильности проведения стадий гидротермической обработки, осахаривания и брожения судят по количественному содержанию несброженных углеводов и нерастворенно-го крахмала в зрелой бражке [10]. При содержании несброженных углеводов в зрелой бражке менее 0,250 г/100 мл технологический процесс считают отличным, 0,251-0,350 г/100 мл - хорошим, и нормальным, если их содержание не превышает 0,450 г/100 мл [10]. На содержание несброженных углеводов в бражке влияет бродильная активность дрожжей, и ферментативная активность осахаривающих ферментов [3,10]. Содержание несброженных углеводов в опытных и контрольной бражках представлено на рис. 1.
Рис. 1 - Содержание несброженных углеводов в зрелой бражке при добавлении различных концентраций перекиси водорода
Согласно полученным результатам содержание несброженных растворимых углеводов во всех исследованных бражках было в пределах нормы, но в опытных образцах данный показатель был ниже, чем в контроле. Также следует отметить незначительное снижение уровня несброженных растворимых углеводов с ростом концентрации перекиси водорода в среде. Вероятно, проведение дезинфекции увеличивает бродильную активность дрожжей, за счет снижения уровня микробной контаминации полупродуктов, в результате чего в сусле образуется меньше летучих органических кислот токсичных для дрожжей.
Повышение бродильной активности дрожжей также возможно за счет более высокого содержания растворенного кислорода в сусле образующегося при разложении перекиси водорода [9,12]. На начальном этапе брожения это приводит к более быстрому накоплению необ-
ходимого количества клеток дрожжей, устойчивых к неблагоприятным воздействиям внешней среды и способных более полно сбраживать углеводы сусла.
Третьей причиной, способной повлиять на эффективность процесса брожения, является, возможная окислительная деструкция перекисью водорода токсичных компонентов среды. Так в литературе имеются данные о способности перекиси водорода разрушать некоторые микотоксины [13].
Помимо несброженных растворимых углеводов в бражке всегда присутствует некоторое количество нерастворенного крахмала, при нормальном ведении процесса его содержание лежит в пределах 0,050-0,200 г/100 мл [10]. На рис. 2 представлены данные влияния различных концентраций перекиси водорода, на содержание нерастворенного крахмала в бражке. Как следует из представленных данных, опытные образцы бражек содержали меньшее количество нерастворенного крахмала, что возможно вызвано более полной деструкцией крахмальных гранул, под действием перекиси водорода, что ускоряло их клейстеризацию. Известно, что перекись водорода деполимеризует крахмал за счет уменьшения размеров кристаллических областей и переводит его в растворимую форму [9,12]. Способность перекиси водорода ускорять растворение крахмала, связана с тем, что она, как и вода может образовывать водородные связи с гидроксильными группами крахмала и малым размером молекулы, что позволяет ей глубоко проникать в трехмерную сетку набухших крахмальных гранул [9,12]. Более полное растворение крахмала ускоряет его гидролиз амилолитическими ферментами, в результате чего повышается содержание сбраживаемых углеводов в сусле.
0,35
л
а
ам
ха
р
к
й
ы
н
н
е
р
о
в
т
с
а
р
е
еН
и
к
кж
а
р
б
л
м
0
0
а
н
г
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0,03 0,05 0,07 0,1
Концентрация перекиси водорода, %
0
0
Рис. 2 - Содержание нерастворенного крахмала в зрелой бражке при добавлении различных концентраций перекиси водорода
Содержание этилового спирта в бражке, является основным показателем процесса брожения. При строгом соблюдении регламента технологической инструкции оно должно быть 8-9,5 об. % [3,10]. Данные о содержании спирта в опытных и контрольной бражках представлены на рис. 3.
0 0,03 0,05 0,07 0,1
Концентрация перекиси водорода, %
Рис. 3 - Содержание спирта в зрелой бражке при добавлении различных концентраций перекиси водорода
Как видно из диаграммы, применение перекиси водорода на стадии гидротермической обработки зернового замеса приводило к увеличению содержания этилового спирта в опытных образцах бражек. Полученные результаты согласуются с представленными выше положительными эффектами перекиси водорода.
Таким образом, на основании полученных данных можно сделать вывод о том, что перекись водорода проявляет угнетающее действие по отношению к микрофлоре зернового замеса, в результате чего снижается накопление кислотности в процессе брожения, уменьшается содержание несброженных углеводов и нерастворенного крахмала в зрелой бражке, что в конечном итоге повышает выход этилового спирта.
Экспериментальная часть
Получение спирта. Зерно, очищенное от посторонних примесей, размалывали на лабораторной мельнице так, чтобы весь помол проходил при просеивании через сито с ячейками диаметром 1 мм. Навеску измельченного зерна помещали в колбу, добавляли ферментный препарат Ами-лосубтилин Г3Х из расчета 2 ед. препарата на 1 г условного крахмала, и смешивали с дистиллированной водой (соотношение зерно: вода - 1:3).
Разваривание проводили в термостатируемой водяной бане по механико-ферментативному способу. Режим разваривания представлен в табл. 4.
Перемешивание в процессе разваривания осуществляли при помощи ручной мешалки. В опытные образцы на II ступени тепловой гидродинамической и ферментативной обработки добавляли перекись водорода до концентрации 0,03 %, 0,05 %, 0,07 %, 0,1 %. По окончании разваривания проводили микробиологический анализ разваренной массы. Для этого отбирали пробу полученной разваренной массы, стерильно готовили необходимые разведения и высевали глубинно на чашки Петри с МПА. Колонии инкубировали в термостате при температуре 37 °С [14].
Далее разваренную массу охлаждали до температуры 60 °С, и вносили ферментный препарат Сан Экстра Ь из расчета 6,8 ед. на 1 г условного крахмала. Окончание процесса осахаривания определяли по йодной пробе.
ю
о
,т
р
и
п
и
8,8
8,6
8.4 8,2
8
7,8
7,6
7.4
Наименование стадии Температура, ° С Продолжительность стадии, мин
Предразваривание 55 20
Гидродинамическая и
ферментативная обра- 70 150
ботка I ступени
Гидродинамическая и
ферментативная обра- 95 30
ботка II ступени
Подготовка дрожжей: дрожжи предварительно инкубировали в сусле в течение 30 ч при 30 °С в водяном термостате с перемешиванием. 30 часовую культуру дрожжей центрифугировали (15 мин; 5000 об/мин), сливали надосадочную жидкость и стерильно ресуспензировали в физиологическом растворе. В полученное сусло добавляли растворы питательных солей карбамида и аммоний фосфата до концентрации 0,05 % и 0,025 % соответственно. И вносили суспензию дрожжей (10 % от объема сусла), содержащую « 100 млн. кл/мл. После чего колбу с суслом закрывали поглотителем с хромовой смесью для улавливания паров спирта, и помещали на 72 часа в термостат, поддерживающий температуру 30 °С.
Физико-химические показатели полупродуктов спиртового брожения определяли согласно общепринятым методикам [10].
Литература
1. Гусева И., Калинина О.А., Колдин Э.Н. // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2004. №2. С. 12-15.
2. Журба О.С., Леденев В.П., Поляков В.А. и др. // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2003. №3. С.8-10.
3. Яровенко В.Л. Технология спирта. М.: Колос, Колос-пресс. 2002. 464 с.
4. Сотников В.А., Марченко В.В., Гамаюрова В. С.// Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. №7. С. 39-42.
5. Журба О.С., Максимова Е. М. // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2004. №4. С. 17-19.
6. Hynes S.H., Kjarsgaard D.M., Thomas K.C. et all. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 1997. V.18. № 4. P. 284-291.
7. Пыхова С.В., Титков А.Н., Девяткина Р.И. // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2003. №2. С. 16-17.
8. Alcarde A. R., Waldep J. M. M., Horii J. // Scientia Agricola. 2003. V. 60. № 4. P. 677-681.
9. Позин М.Е. Перекись водорода и перекисные соединения. Л., М: Госхимиздат, 1951. 476 с.
10. Рухлядева, А.П. Технохимический контроль спиртового производства. М.: Пищевая пром-ть, 1974. 356с.
11. Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. Биохимия зерна и хлебопродуктов. СПб: ГИОРД, 2005. 509 с.
12. Шамб У., Сеттерфилд Ч., Вентвортс Р. Перекись водорода. М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1958. 576 с.
13. Тутельян В.А., Кравченко В.Л. Микотоксины (медицинские и биологические аспекты) АМН СССР. М.: Медицина, 1985. 320с.
14. Практикум по микробиологии / Под ред. Н.С. Егорова. Учебное пособие. М.: Изд-во Моск. унта, 1976. 307с.
© Т. А. Ямашев - асп. каф. технологии пищевых производств КГТУ; Н. К. Романова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Н. Н. Симонова - зав. лаб. тонкого органического синтеза, О. А. Решетник - д-р техн. наук, проф. каф. технологии пищевых производств КГТУ.
