CC BY
25
Интенсификация брожения с использованием биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка)
Е.С. Дружинина, М.В. Гернет
Московский государственный университет пищевых производств В.Ф. Колесникова
ООО «Грибные технологии — Фунгитек» (Москва)
Известно, что процесс брожения может в некоторых случаях замедляться или даже останавливаться, несмотря на соблюдение всех условий, необходимых для ферментации. Спонтанная остановка спиртового брожения сусла до момента утилизации требуемого количества сахаров является одной из серьезных проблем бродильных производств. Преждевременная остановка спиртового брожения может происходить по различным причинам.
Факторы, вызывающие появление недобродов: условия брожения [недостаток кислорода, повышенная или пониженная температура брожения; исходный состав сусла (содержание сбраживаемых сахаров, возможный недостаток витаминов и азотистых веществ); присутствие компонентов среды, отрицательно действующих на дрожжи (тяжелые металлы, остатки пестицидов и т. д.); технологические приемы при переработке сырья и полупродуктов; накопление в сбраживаемой среде продуктов метаболизма (этиловый спирт, углекислый газ, жирные кислоты) и др.].
Один из путей интенсификации производства в пивоварении, виноделии, спиртовой и безалкогольной промышленности — применение сорбирующих материалов на различных технологических стадиях. В последние годы в теории и практике этих производств были достигнуты большие успехи при решении различных проблем: при помощи специфических адсорбентов различной природы избирательно выводили из смеси излишние количество белков, полифенолов, ионов тяжелых металлов и других вредных соединений.
Из всего разнообразия применяемых сорбирующих материалов лишь меньшая часть пригодна для использования на стадии брожения, еще меньше способны сорбировать наиболее токсичные для дрожжей компоненты сусла — жирные кислоты с короткой цепью. Большинство сорбентов, обладающих способностью удерживать жирные кислоты, вместе с токсичными компонентами выводят из среды вещества, определяющие сортовые характеристики готового
продукта — вкус и аромат. Наилучшим средством для решения проблем недо-брода были бы сами дрожжевые клетки или те их составляющие, которые сорбируют жирные кислоты.
В других источниках литературы [1] сообщается о положительных данных по применению препаратов клеточных стенок дрожжей для удаления из бродящей среды жирных кислот и их эфиров. В ходе изучения действия биосорбента ОК (оболочки клеточные) было установлено, что использование биосорбента может быть рекомендовано также в экстремальных условиях проведения брожения (высокое содержание сахаров в сусле, наличие в сусле остатков пестицидов и др.).
Кроме того, было показано, что препараты клеточных стенок винных дрожжей выделяли в бродящее сусло некоторое количество липидов, значительную часть которых составляют высокомолекулярные жирные кислоты, которые наряду со стеринами обладают способностью активировать спиртовое брожение.
Также было показано, что применение биосорбента на основе клеточных оболочек винных дрожжей как активатора спиртового брожения перспективно при производстве спирта и пива [3],
где его внесение в бродящую среду обеспечивает практически полную утилизацию сбраживаемых сахаров, повышая выход спирта, и, вместе с тем, способствует сокращению продолжительности процесса сбраживания.
Сообщается о возможности применения влажного препарата ОД-2 — биосорбента на основе осадочных пивных дрожжей в пищевых производствах и других отраслях промышленности с целью интенсификации технологических процессов [5, 6, 7].
Описывается многофункциональная сорбционная способность, а также способность связывать содержащиеся в растворах соединения различной химической природы: тяжелые металлы и их ионы, пестициды, жирные кислоты, радионуклиды.
Кроме того, показано, что внесение препарат ОД-2 на стадии главного брожения пивоваренного производства позволяет существенно повысить содержание этанола в молодом пиве или сократить продолжительность главного брожения на 24-36 ч с получением концентрации этилового спирта, равной величине, накопленной в контрольном образце. Причем наибольший эффект наблюдается от использования ОД-2, когда брожение затруднено влиянием негативных факторов.
В последнее время «семейство биосорбентов» активно растет. Кроме дрожжей способностью извлекать из среды неблагоприятные компоненты обладают такие микроорганизмы, как бактерии, включая актиномицеты и ци-анобактерии, морские водоросли, грибы. Причем адсорбционную способность проявляет как живая, так и мертвая биомасса, и в таком случае механизмы существенно отличаются в зависимости от метаболической активности [12].
Таблица 2
Таблица i
Дни главного брожения Прирост накопления спирта по отношению к контролю, %
Биосорбент Концентрация,% 3-й | 7-й
Спирт, об.%
Контроль 1,31 3,36 100,00
ОД-2 0,5 1,90 4,42 131,17
Вешенка 0,5 1,95 4,87 145,00
Концентрация сорбента, % Дни главного брожения Прирост накопления спирта по отношению к контролю, %
3-й 1 5-й 1 7-й
Спирт, об.%
Контроль 1,27 1,62 3,295 100,00
0,05 1,521 1,76 3,42 103,79
0,10 3,14 3,53 3,853 116,93
0,30 4,91 — 5,04 152,95
0,50 4,62 4,65 4,86 147,49
1,00 Не определялся 1,52 3,34 101,36
ПИВО и НАПИТКИ
' 1 •2003
26
б 5
* 4
чО О
р 3
S
5 2 1 0
-J- ••
Дни
-Контроль; ......
----Вешенка 0,05 %;--........Вешенка 0,1 %;
Рис. 1. Динамика накопления спирта
■ Вешенка 0,3 %, - Вешека 0,5 %
Разнообразие химического состава стенок грибов и дрожжей приводит к значительным отличиям в поглотительной способности у разных видов. Грибная биомасса в равной степени может хорошо сорбировать как ионы металлов, присутствующих в растворе, так и соли, например сульфиды Zп, Си, РЬ. Наибольшее внимание привлекают соединения грибной биомассы, вероятно, из-за того, что отработанная грибная биомасса может быть отходом некоторых промышленных бродильных процессов. Потенциальные биосорбенты грибных стенок включают маннаны, глюканы, хитин, хитозан и меланин.
Фосфорилированные производные хитина и хитозана — более эффективные биосорбенты, чем нефосфорилиро-ванные, последовательность биосорбци-онной активности следующая:
и02+>>Си2+^2+>Мп2+^п2+>М£2+> >Со2+>№2+>Са2+
UO2+>>Cu2+>Zn2+>Mn2+>Co2+> Ni2+>Mg2+>Ca2+
соответствено [13].
В то же время все большее внимание привлекают препараты, полученные из мицелия гриба вешенки — Pleurotos Ostreatus. Исследовались механизмы сорбции ионов металлов грибными хи-тинсодержащими комплексами и их применение, возможность получения сорбентов из отходов микробиологических производств [8, 9, 10]. Более подробно исследован процесс сорбции тяжелых металлов хитином из гриба ве-шенка. Так, обнаружено, что грибной порошок достоверно снижает в растворе исходно высокое содержание ионов РЬ2 + и Си2 + с 8,8-10-6 до 3,310-6 и с 11,8'10-6 до 8,610-6 моль/мл соответственно [11].
Пищевая добавка — мицелий пищевого гриба Вешенка (Pleurotos Ostreatus) сухой пищевой (ТУ №9291-00129886209-93 от 01.01.94), вырабатываемый методом глубинного культивиро-
вания на питательных средах с соблюдением санитарных правил для предприятий пищеконцентратной промышленности. Продукт вырабатывается в асептических условиях по технологии, разработанной ООО «Грибные технологии — Фунгитек». Продукт исследован в Институте питания РАМН и сертифицирован Госсанэпиднадзором России как пищевой сорбент. Применяемый в дальнейших исследованиях штамм F-697 имеет следующие характеристики.
По органолептическим показателям мицелий гриба вешенка сухой пищевой должен соответствовать следующим требованиям: внешний вид и консистенция — сухие тонкослойные пластины, допускается наличие порошка; вкус и запах — слабовыраженные грибные или присущие различным фруктам в зависимости от термообработки; цвет — от беловатого до сероватого.
По физико-химическим показателям продукт должен соответствовать следующим требованиям и нормам: массовая доля влаги не более 10,0 %; белка — не менее 20,0 %; массовая доля жира — не более 40,0 %.
По микробиологическим показателям мицелий гриба вешенка сухой пищевой должен соответствовать ряду требований и норм: количество мезофильных аэробных и факультативно-аэробных микроорганизмов не более 5104 КОЕ в 1 г; наличие бактерии группы кишечных палочек (коли-формы) в 0,1 г продукта не допускается; наличие патогенных микроорганизмов, в том числе сальмонеллы в 25 г продукта не допускается; плесени в 1 г продукта не более 100 КОЕ в 1 г.
Основываясь на данных исследований [8, 9, 10], показывающих сорбцион-ные свойства различных препаратов из гриба вешенка, можно сделать вывод о возможности удаления нежелательных для сусла компонентов путем применения данного препарата, оптимизируя тем самым процесс брожения. Получение данного препарата при использовании отходов микробиологии и некоторых пищевых производств достаточно
дешево, а потому он сможет стать достаточно перспективным для применения во всех бродильных производствах, особенно такой динамично развивающейся, как пивоваренная отрасль.
Для постановки экспериментов по выявлению влияния биосорбента из гриба вешенка на процесс брожения был проведен ряд исследований. С целью получения сравнительных данных в работе использовали препарат ОД-2, полученный на кафедре «Процессы ферментации и промышленного биокатализа» МГУПП.
В работе[6] отмечается благотворное влияние на процесс брожения внесения биосорбента ОД-2 в концентрациях от 0,1 до 1,0 мас. %/об. Для сравнения действия биосорбентов оба препарата в концентрациях 0,5 мас. %/об. были добавлены в 12%-ное сусло на стадии главного брожения. Контроль величины накапливаемого алкоголя велся ускоренным методом на 3-и и 7-е сутки. Как показали исследования [4], наилучший результат стимулирующего эффекта биосорбента в зависимости от внесения его в бродящую среду был получен через 1-2 дня после начала брожения. Результаты эксперимента приведены в табл. 1.
Таким образом, прирост накопления спирта в опытных образцах по отношению к контролю составил для ОД-2 131,17 %, для «вешенки» — 145,0 %.
Из результатов эксперимента видно, что биосорбент на основе биомассы гриба вешенка способен положительно влиять на процесс накопления этанола в пиве. В дальнейшем исследовали оптимальную концентрацию этого препарата по влиянию на способность к накоплению алкоголя. Биомассу вешенки вносили в сусло 12 % в концентрациях 0,05; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0 мас. %/об. Результаты эксперимента приведены в табл. 2.
Накопление спирта в образцах в динамике показано на рис. 1.
Как видно из данных таблицы, изучаемый препарат, вносимый в разных концентрациях, вызывает различное
1•2003
1ПИВО " НАП™
и
27
накопление алкоголя, и по относительному приросту алкоголя лучшие результаты показали образцы с внесенной биомассой в количестве 0,3 и 0,5 %.
Зависимость величины накопления спирта в процессе главного брожения от концентраций вносимого биосорбента вешенки показана на рис. 2.
Показанное выше увеличение накапливаемого в процессе главного брожения спирта связано, вероятно, с сорбцией нежелательных компонентов из сбраживаемой среды биомассой гриба вешенки, что согласуется с литературными данными [11]. В целом результаты исследований показали, что биомасса гриба вешенки может быть использована при получении пива на стадии главного брожения. При постановке задачи по сокращению срока брожения или накоплению большего количества алкоголя при неизменных затратах сырья и времени она может быть решена путем использования исследуемого препарата. Второй вариант применения — при решении проблем, связанных с удалением неблагоприятных компонентов из бродильной среды. Природу сорбируемых компонентов предсто-
ит выяснить в дальнейших исследованиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гасанов А.О., Карпенко Д.В, Гернет М.В. Влияние препарата ОД-2 на развитие дрожжей// Пиво и напитки. 2000. № 5. С. 32-33.
2. Горовой Л.Ф., Петюшенко А.П. Механизмы сорбии ионов металлов грибными хитин-содержащими комплексами// По материалам 5-й Всероссийской конференции «Новые перспективы в исследовании хитина и хито-зана». http://www.chitin.ru/c_5r.htm
3. Карпенко Д.В., Ермакова С.Н., Возможность применения влажного сорбирующего препарата ОД-2//Пиво и жизнь. 2000/2001. №6/1. С. 16-17.
4. Карпенко Д.В., Ермакова С.Н. Области применения биосорбента ОД-2// Пиво и жизнь. 2000. № 4. С. 12-13.
5. Кириллова Л.Н., Муравьева М.Б., Козин А.И., Елякова Е.Г., Мирошников А.И. Полиаминосахаросодержащие сорбенты из отходов микробиологических производств //По материалам 5-й Всероссийской конференции «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». http://www.chitin.ru/c_5r.htm
6. Щербаков С.С., Потий В.С., Давидов Е.Р. Изучение условий сорбции катионов тяжелых металлов препаратами клеточных оболочек дрожжей. // Изв. вузов пищ. техн., 1996. С. 20-24.
7. Щербаков С.С., Потий В.С., Мосичев М.С. Применение нового биосорбента при произ-
водстве этанола из молочной сыворотки.// Обзорная информация АгроНИИПП. 1993. Вып. 2. С. 16.
8. Щербаков С.С., Гернет М.В., Карпенко Д.В. Использование биосорбента для активации главного брожения при производстве пива //Биотехнология и управление. 1994. № 4. С. 38-42.
9. Щербаков С.С. Разработка и научное обоснование технологии применения биосорбента в виноделии и других бродильных производствах: Автореф. дисс... д-ра техн. наук — М., 1996.
10. Щербинин А.А., Соловьева B.B., Забелина А.В. Антацидные и сорбционные свойства грибного порошка из вешенки обыкновенной (Pleurotos ostreatusV/Вопросы питания. 1999. № 5-6. С. 28-35.
11. Урьяш В.Ф., Маслова В.А., Туманова А.Н., Демарин В.Т., Кралина Н.Н., Гриб П.Т. Изучение процесса сорбции тяжелых металлов хитином из гриба вешенка/По материалам 5-й Всероссийской конференции «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». http://www.chitin.ru/c_5r.htm
12. Heavy metal accumulation by bacteria and other microorganisms. G.Gadd, University of Dundee, UK, Experientia 46 (1990) Birkhauser Verlag, CH-4010, Switzerland., pp 835-839.
13. Use of pelleted and immobilized yeasts and fungal biomass for heavy metal and radionuclide recovery. Louise de Rome and Geoffrey M.Gadd, University of Dundee, UK// Journal of Industrial Microbiology. 1991. 7, pp 97-104.
||Д||ИТКИГ 1 •
1 •2003
28
