CC BY
116
ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 663.1
Использование иммобилизованных уксуснокислых бактерий в производстве пищевого уксуса
Л. И. Розина,
канд. техн. наук;
Л.А. Пелих
ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности -филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН
Для устойчивого развития пищевой промышленности необходимо осуществлять реализацию научного потенциала в разработке технологий безотходной переработки сырья с получением продуктов пищевого или кормового назначения. Пивоварение — инновационный сектор пищевой промышленности, и с вводом новой категории продукции, какой является безалкогольное пиво, возникает необходимость решения проблемы использования образующегося вторичного ресурса — пивного диализата [1].
Для получения особых видов натурального уксуса сегодня применяют специальное сырье, по которому и называют конечный продукт, например, винный уксус (во Франции и Италии), солодовый уксус (в Англии), кокосовый уксус (на Филиппинах, в Юго-Восточной Азии, в южных районах Индии), изюмный, медовый, из тропических плодов [2].
Известна технология получения уксуса брожением с использованием поврежденных и дефектных плодов китайского финика [3]. В Китае производят рисовый уксус и уксус из пшеничной соломы [4, 5], уксус из оболочек зерна и крупки [6]. Оригинальный вкус уксуса получают из хурмы, персиков, облепихи и морошки [7-10].
В России, в соответствии с ГОСТ 32097-2013 «Уксусы из пищевого сырья. Общие технические условия», уксусом из пищевого сырья называется раствор уксусной кислоты, полученный биохимическим методом из пищевого спиртосодержащего сырья путем аэробного окисления с помощью уксуснокислых бактерий (УКБ).
К основным способам получения биохимического уксуса относятся глубинный и циркуляционный (поверхностный) [11]. Глубинный способ основан на принципе культивирования уксуснокислых бактерий непосредственно в аэрируемой среде. Циркуляционный способ культивирования характеризуется тем, что уксуснокислые бактерии закреплены на твердом носителе, а питательная жидкость постоянно циркулирует сверху вниз через носитель (насадку).
Оценивая физиологическую и метаболическую активность клеток в иммобилизованном состоянии, можно отметить, что иммобилизация, как правило, приводит к повышению стабильности клеток микроорганизмов. Клетки находятся в активном состоянии более продолжительное время, расширяется диапазон рН и температурных пределов их функционирования, повышается устойчивость клеток к негативным воздействиям окружающей среды, ингибирование клеток происходит более высокими концентрациями образованных продуктов по сравнению со свободными.
Если с 60-х годов прошлого столетия началось изучение возможностей иммобилизованных ферментов, то спустя 10 лет начали появляться публикации, касающиеся иммобилизации целых клеток микроорганизмов. Многие примеры иммобилизованных клеток можно найти в природе (прикрепленная микрофлора почв, водоемов и т. д.).
Иммобилизации могут подвергаться клетки в различных состояниях, однако многостадийные процессы, происходящие с участием различных
44 ПИВО и НАПИТКИ 3•2018
'ТЕХНОЛОГИЯ
ферментов и таких коферментов, как АТФ, НАД, НАДФ, ФАД, осуществляются только живыми клетками.
Большой интерес к иммобилизованным клеткам связан с тем, что они более стабильны, технологичны по сравнению со свободными клетками, продукты, полученные с применением биореакторов с иммобилизованными клетками, легче отделяются от катализатора. Более высокая активность и стабильность иммобилизованныгх клеток связана с тем, что ферменты в клетках микроорганизмов находятся в естественном окружении и потому их нативная стерическая организация сохраняется. Иммобилизация клеток микроорганизмов дает возможность осуществлять непрерывный процесс без изменения генетической природы клеток, а в некоторых случаях позволяет постоянно отделять продукт и удалять ингибирующие вещества [12].
Различают физические, химические и механические методы иммобилизации клеток. К физическим методам относятся адсорбция и агрегация. Иммобилизация микробных клеток методом сорбции уже более 100 лет применяется в процессах сбраживания углеводов до этанола, окислениях этанола до ацетата и др.
В качестве адсорбентов могут быть использованы различные органические и неорганические носители — различные полимеры, керамика, глины. Развитие полимерной химии на современном этапе позволяет обоснованно модифицировать или целенаправленно синтезировать пористые сорбенты с заданной проницаемостью, гидрофильностью и набором определенных функциональных групп на поверхности, отличающиеся высокой химической стойкостью и достаточной для проведения термической стерилизации термостойкостью.
Физические методы иммобилизации основаны на способности клеток слипаться друг с другом или адсорбироваться на подходящих поверхностях. Степень закрепления клеток на носителе зависит от химической природы адсорбента, его формы, характера клеточной поверхности и условий проведения иммобилизации.
Химические методы иммобилизации основаны на образовании ко-валентных связей клеток микроорганизмов с активированным носителем за счет поперечной сшивки активных групп клеточных стенок с бифункциональными агентами. В качестве
носителей применяются силикагели, оксиды титана, другие полимерные соединения. Недостаток — контакт клеток микроорганизмов с химическими реагентами, что может приводить к таким нежелательным последствиям, как интоксикации клеток и потери их активности [13].
Механические методы основаны на включении клеток в различные гели, мембраны и волокна. Недостаток в том, что молекулы субстрата, продукта и питательнык веществ должны диффундировать через твердую матрицу, а это заведомо снижает скорость реакции, также сорбенты, полученные путем включения в мягкие гели, имеют недостаточно стабильные гидродинамические показатели. При длительной эксплуатации гели набухают. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления массы сорбента [14, 15].
Физиологические и морфологические признаки клеток подвергаются значительным изменениям при иммобилизации. Иммобилизация также влияет на ферментативную активность, скорость размножения, интенсивность биохимических процессов. Это влияние может также улучшать свойства микроорганизмов, как сорбентов [16].
Наибольшее применение из всех вышеописанных способов иммобилизации клеток находит адсорбция микроорганизмов на поверхности сорбента. Это связано с тем, что высокая стоимость делает невозможным широкое применение механически иммобилизованных клеток. Химический метод малопригоден, так как при использовании данного метода требуется специальная обработка клеток микроорганизмов, что значительно удорожает и усложняет процесс подготовки сорбента. Адсорбционный способ закрепления клеток отличается простотой и доступностью [17].
В настоящее время в большинстве крупномасштабных микробиологических процессов используются клетки, сорбированные на различных носителях, что связано с такими преимуществами адгезионной иммобилизации, как дешевизна, универсальность, отсутствие стрессовых воздействий на клетки и простота осуществления.
Еще более 150 лет назад микроорганизмы, закрепленные на древесных стружках, были использованы для получения уксуса. В настоящее время в качестве древесной стружки при
производстве биохимического уксуса циркуляционным методом используют дубовую, буковую, грабовую, березовую стружки [18, 19].
Предложен способ производства натурального биохимического уксуса, в котором в качестве носителя используют алюмоадсорбент и цеолит вместо традиционной буковой стружки [20, 21]. Использование алю-моадсорбента или цеолита позволяет многократно их применять без дополнительной обработки.
Во ВНИИПБиВП был разработан метод производства яблочного уксуса с подвижной насадкой, в котором глубинный метод сочетается с использованием специальной насадки [22-25]. Насадка, находясь во взвешенном состоянии в верхней части виномате-риала и вращаясь под действием потока воздуха, иммобилизует на своей поверхности УКБ, что значительно увеличивает их физиологическую активность.
Таким образом, имеющиеся в институте наработки могут быть использованы в качестве основы для совершенствования технологии производства высококачественного уксуса из пищевого сырья, в частности, вторичных ресурсов пивоваренной отрасли.
Пивной диализат, образующийся при производстве безалкогольного пива методом диализа, — спиртосодержащая жидкость, в которой присутствует значительное количество ароматических компонентов пива. В связи с этим получение из образовавшегося диализата ректификованного спирта не рационально, так как он по органолептическим характеристикам не может быггь использован для производства водок и ликероводочныгх изделий. С другой стороны его использование взамен спирта ректификата в уксусном производстве позволяет получить продукт по органолептиче-ским характеристикам превосходящий спиртовой уксус.
Накопленный научный опыт позволяет предположить эффективность применения этого вторичного материального ресурса для производства биохимического пищевого уксуса с использованием уксуснокислых бактерий, иммобилизованных на бионосителе. Иммобилизованные клетки обладают повышенной ферментативной активностью и интенсивностью биохимических процессов, что приводит к интенсификации синтеза
3•2018
ПИВО и НАПИТКИ 45
ТЕХНОЛОГИЯ'
вторичных ароматических продуктов, положительно влияющих на качество получаемого уксуса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Индустрия напитков — Новости. — 2017. — № 4. — С. 24.
2. Бродильные производства / под ред. д-ра Л.А. Андеркофлера и д-ра Дж. Хиккея; пер. М. И. Вольшанского, под ред. канд. техн. наук И. Фертмана. — М.: Пищепромиздат, 1959. — Т. I. — 416 с.
3. ZhangBaoshan. Технология получения уксуса брожением с использованием поврежденных и дефектных плодов китайского финика / Zhang Baoshan, Chen Jinping, Li Dongmei // Nongye gongcheng xuebao — Trans. Chin. Soc. Agr. Eng. — 2004. — Vol. 2. — № 2. — C. 213-216.
4. Solieri, L. Vinegars of the World / L. Solieri. — Korean Handong Global University, 2008.
5. Zhou Jian-bin. Изучение состава и антимикробного действия уксуса из пшеничной соломы / Zhou Jian-bin, Ye Han-ling, Wei Juan, Zhang Oi-sheng // Linchan huaxue yu gongye — Chem. and Ind. Forest Prod. — 2008. — Vol. 28. — № 4. — P. 55-58.
6. Zhuang Gui. Исследование уксуса брожения с использованием в качестве исходного материала оболочек зерна и крупки, полученных при экстрагировании зерново-
го крахмала / Zhuang Gui, Wei Meisheng, Zhu Guang-zhou, Gong Ming-yu // Henan gongye daxue xuebao. Ziran kexue ban — J. Henan Univ. Technol. Nat. Sci. Ed. — 2006. — Vol. 27. — № 4. — C. 28-31.
7. Liu Yuemei. Оптимизация параметров уксуснокислого брожения для производства уксуса из хурмы / Liu Yuemei, Bai Weidong, Lu Zhoumin, Zheng Hao // Nongye gongcheng xuebao — Trans. Chin. Soc. Agr. Eng. — 2008. — Vol. 24. — № 4. — P. 257-260.
8. Ji Xin. Ультрафильтрационная обработка персикового уксуса / Ji Xin, Wang Kun-peng, Zhang Lijuan, Zhang Lin // Huaxue yanjiu — Chem. Res. — 2005. — Vol. 16. — №3. — P. 65-66.
9. Патент 2552889 РФ, МПК C12J 1/04. Способ производства облепихового уксуса / Е. С. Баташов, В. П. Севодин; заявитель и патентообладатель ООО «Биотехнологии переработки облепихи». — № 2013157234/10; заявл. 23.12.2013, опубл. 21.06.2015, Бюл. № 16. — 2 с.
10. Ламберова, А. А. Исследование влияния состава питательной среды на эффективность роста и образования облепихового пищевого уксуса бактериями Acetobacter Aceti / А. А. Ламберова, Ю. А. Кошелев, М. Э. Ламберова // Ползуновский вестник. — 2008. — № 1-2. — С. 78-81.
11. Галкина, Г.В. Современные способы производства биохимического уксуса / Г. В. Гал-
кина [и др.] // Тезисы научной конференции. — Углич, 2006.
12. Галкина, Г. В. Получение пищевого уксуса с использованием спиртосодержащих отходов и вторичных ресурсов/ Г. В. Галкина [и др.] // Производство спирта и лике-роводочных изделий. — 2006. — № 4. — С.34-35.
13. Оценка физиологической и метаболической активностей клеток в иммобилизованном состоянии [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://megapredmet.ru/1-18686.html.
14. Иммобилизация клеток микроорганизмов [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.kazedu.kz/referat/31993/5.
15. Скрябин, Г.К. Иммобилизованные клетки микроорганизмов / Г. К. Скрябин, К.А. Ко-щеенко // Биотехнология. — М.: Наука, 1984. — С. 70-77.
16. Звягинцев, Н. Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями / Н. Г. Звягинцев. — М.: Изд-во МГУ, 1979. — С. 114-142.
17. Белясова, Н. А. Биохимия и молекулярная биология / Н. А. Белясова. — Минск: БГТУ, 2002. — 416 с.
18. Гвоздяк, П.И. Очистка промышленных сточных вод прикрепленными микроорганизмами / П. И. Гвоздяк, Г. Н. Дмитрен-ко, Н. И. Куликов // Химия и технология воды. — 1985. — Т. 7. — № 1. — С. 64-68.
46 ПИВО и НАПИТКИ
3•2018
'ТЕХНОЛОГИЯ
19. Патент 2301255 RU, МПК C12J 1/04, C12J 1/08. Способ производства пищевого натурального уксуса / Т. С. Коршик, Ю.Ю. Кислицын, К. В. Лелюк, Г.Ф. Фурман, Л. Ю. Саватее-ва; заявитель и патентообладатель Т. С. Коршик. - № 2005134461/13; заявл. 07.11.2005; опубл. 20.06.2007, Бюл. № 17. - 8 с.
20. Патент 2385924 RU, МПК СЩ 1/04. Способ производства уксуса / Ю.А. Чернуха, Б.А. Чернуха, Г. В. Галкина, Н. И. Кулешова, В. И. Илларионова, Е. С. Баташов. — № 2008137472/13; заявл. 22.09.2008; опубл. 10.04.2010, Бюл. № 10. — 9 с.
21. Патент 2483104 RU, МПК С12} 1/00. Способ производства натурального биохимического уксуса / А.А. Ламберова, М. Э. Ламбе-
рова. — № 2010145626/10; заявл. 09.11.2010; опубл. 27.05.2013, Бюл. № 15. — 32 с.
22. Антропова, А.Л. Исследование способов интенсификации процесса получения облепи-хового уксуса при иммобилизации клеток Acetobacter aceti на различных носителях / А. Л. Антропова, А. А. Ламберова, М. Э. Ламберова// Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: Материалы 3-й Всеросс. научно-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (28-30 апр. 2010). — Бийск: Алт-ГТУ, 2010. — Ч. 1. — С. 274-277.
23. А. с. 1252332 SU, МПК СЩ 1/04. Способ получения плодово-ягодного уксуса /
С. Л. Виноградова, В.И. Задорский, Г.И. Кра-пивникова, Л. А. Оганесянц, А. Л. Панасюк, З. Е. Сенькина, М. А. Чхиквишвили. — № 3804950/28-13; заявл. 25.10.84; опубл. 23.08.1986, Бюл. № 31.
24. А. с. 1296570 БЦ МПК СЩ 1/02. Способ производства плодового уксуса/ А. Л. Панасюк, Ю.Н. Сторчевой, З.Е. Сенькина, А.Е. Линец-кая, Г. Н. Гребенник. — №4009841/30-13; заявл. 19.11.85; опубл. 15.03.87, Бюл. № 10.
25. А. с. 1402612 БЦ МПК СЩ 1/02. Способ получения плодового уксуса / А. Л. Панасюк, В. С. Литвак, И. А. Янсонс, Э. А. Степанов, А. В. Заблоцка, А. И. Кытин, С. Л. Славская. №4154536/30-13; заявл. 09.11.86; опубл. 15.06.88, Бюл. № 22. &
Использование иммобилизованных уксуснокислых бактерий в производстве пищевого уксуса
Ключевые слова
бионоситель; иммобилизация; методы иммобилизации клеток; пивной диализат; пиво; уксус; уксуснокислые бактерии.
Реферат
В статье приведен обзор современного состояния производства биохимического пищевого уксуса с использованием иммобилизованных уксуснокислых бактерий (УКБ). Для получения особых видов натурального уксуса сегодня применяют специальное сырье, по которому и называют конечный продукт, например, винный уксус (во Франции и Италии), солодовый уксус (в Англии), кокосовый уксус (на Филиппинах, в Юго-Восточной Азии, в южных районах Индии), рисовый уксус (в Китае), изюмный, медовый, из тропических плодов. К основным способам получения биохимического уксуса относятся глубинный и циркуляционный (поверхностный). Глубинный способ основан на принципе культивирования уксуснокислых бактерий непосредственно в аэрируемой среде. Циркуляционный способ культивирования характеризуется тем, что уксуснокислые бактерии закреплены на твердом носителе, а питательная жидкость постоянно циркулирует сверху вниз через носитель. Физиологические и морфологические признаки клеток при иммобилизации подвергаются значительным изменениям. Иммобилизация также влияет на ферментативную активность, скорость размножения, интенсивность биохимических процессов. Различают физические, химические и механические методы иммобилизации клеток. В настоящее время в большинстве крупномасштабных микробиологических процессов используются клетки, сорбированные на различных носителях, что связано с такими преимуществами адгезионной иммобилизации, как дешевизна, универсальность, отсутствие стрессовых воздействий на клетки и простота осуществления. Во ВНИИПБиВП был разработан метод производства яблочного уксуса с подвижной насадкой, в котором глубинный метод сочетается с использованием специальной насадки. Насадка, находясь во взвешенном состоянии в верхней части виноматериала и вращаясь под действием потока воздуха, иммобилизует на своей поверхности УКБ, что значительно увеличивает их физиологическую активность.
Авторы
Розина Лариса Ильинична, канд. техн. наук; Пелих Людмила Алексеевна
ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН,
119021, Россия, г. Москва, ул. Россолимо, д. 7, labvin@yandex.ru
Use of Immobilized Acetic Acid Bacteria in Production of Food Vinegar
Key words
biological carrier; immobilization; methods of cells immobilization; beer dialysate; beer; vinegar; acetic acid bacteria.
Abstract
The article gives an overview of the current state of production of biochemical food vinegar, using immobilized acetic acid bacteria (AAB). To obtain special types of natural vinegar, special raw materials are used today, which is what the final product is called, for example, wine vinegar (in France and Italy), malt vinegar (in England), coconut vinegar (in the Philippines, Southeast Asia, in the south regions of India), rice vinegar (in China), raisin, honey, from tropical fruits. The main methods of obtaining biochemical vinegar include deep and circulating (surface). The deep method is based on the principle of cultivation of acetic acid bacteria directly in the aerated medium. The circulatory method of cultivation is characterized in that acetic acid bacteria are fixed on a solid carrier and the nutrient fluid is constantly circulated from top to bottom through the carrier. Physiological and morphological signs of cells under immobilization undergo significant changes. Immobilization also affects on the enzymatic activity, the rate of reproduction, the intensity of biochemical processes. There are physical, chemical and mechanical methods of cells immobilization. Currently, most large-scale microbiological processes use cells, sorbed on different carriers, which is associated with advantages of adhesion immobilization, such as cheapness, universality, the absence of stress effects on cells and ease of implementation. In the All-Russian Scientific Research Institute of the Brewing, Non-Alcoholic and Wine Industry developed a method for the production of apple vinegar with a movable nozzle, in which the deep method is combined with the use of a special nozzle. The nozzle, while suspended in the upper part of the wine material and rotating under the action of air flow, immobilizes on its surface AAB, which significantly increases their physiological activity.
Authors
Rozina Larisa Il'inichna, Candidate of Technical Science; Pelikh Lyudmila Alekseevna
All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industry - Branch of V. M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of RAS,
7 Rossolimo Str., Moscow, 119021, Russia, labvin@yandex.ru
3•2018 ПИВО и НАПИТКИ 47
