CC BY
0УДК 66.011; 663.11; 66.081
DOI 10.29141/2500-1922-2024-9-3-5
EDN MSJYHB
Оценка эффективности процесса биогенерации в модернизированной установке шампанизации вина
Г.Б. Пищиков, В.А. Лазаревн
Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация Н lazarev.eka@gmail.com
Реферат
Большое внимание в последние годы уделяется повышению качества шампанских вин, их органолептиче-ским качествам, безопасности, пищевой и биологической ценности. Среди важнейших факторов, повышающих эффективность процесса биогенерации, можно выделить равномерность распределения клеток на сорбенте по высоте биогенератора и их ротация на элементах насадки. Целью исследования являлась оценка эффективности предложенных технических и технологических решений, направленных на организацию равномерного распределения дрожжевых клеток по высоте и поперечному сечению сорбционной колонны и, как следствие, на повышение качества шампанизируемого вина. Выявлено, что секционирование аппарата и применение адсорбирующей насадки с различными размерами контактных элементов для каждой секции, а также создание условий для ротации клеток на поверхностях раздела фаз позволило существенно повысить равномерность распределения клеток по высоте и сечению колонны биогенератора. Определено, что равномерность распределения дрожжевых клеток в единицах отношения значений средних концентраций между секциями повысилась в 1,96 раза. Изменилось соотношение свободно флуктуирующих клеток по физиологическому состоянию в положительную для данного процесса сторону - увеличения отмирающих и особенно автолизированных клеток на 7,25 % и 24 % соответственно по сравнению с состоянием в рабочем биогенераторе. Определено, что у шампанизированного вина после биогенерации окислительно-восстановительный потенциал уменьшился на 12,8 %, содержание альдегидов, а также общих и свободных кислот снизилось на 24,4 % и 23,9 % соответственно, восстановительная способность шампанизированного вина повысилась в 1,6 раза, возросла активность ферментов: Р-фруктофуранозидазы - в 1,24 раза, протеиназы - в 1,3 раза. Содержание диацетила уменьшилось в 1,6 раза. Изменилось содержание ароматобразующих веществ: количество карбонильных соединений уменьшилось в 1,19 раза, спиртов (кроме Р-фенилэтанола и пропано-ла) - в 1,12 раза, легколетучих сложных эфиров - в 1,37 раза; количество сложных высококипящих эфиров и терпеноидов увеличилось в 1,5 раза. Содержание аминокислот в продукте увеличилось на 9,6 %. Дегустационная оценка игристого вина повысилась на 0,2 балла.
Ключевые слова:
| биогенератор; модель; дрожжи; автолиз; шампанизация; насадка; сорбент; биохимические показатели
Для цитирования: Пищиков Г.Б., Лазарев В.А. Оценка эффективности процесса биогенерации в модернизированной установке шампанизации вина //Индустрия питания|Food Industry. 2024. Т. 9, № 3. С. 43-55. DOI: 10.29141/2500-1922-2024-9-3-5. EDN: MSJYHB.
Дата поступления статьи: 5 июля 2024 г.
Efficiency Evaluation of the Biogeneration Process in a Modernized Wine Champagne Plant
Gennady B. Pishchikov, Vladimir A. Lazarevи
Ural State University of Economics, Ekaterinburg, Russian Federation И lazarev.eka@gmail.com
Abstract
In recent years, a man pays much attention to quality improvement of sparkling wines, its organoleptic qualities, safety, nutritional and biological value. Among the most important factors increasing biogeneration process efficiency, there is the uniformity of the cell distribution on the sorbent along the biogenerator height and its rotation on the nozzle elements to be mentioned. The research aim is the effectiveness evaluation of the developed technical and technological solutions targeted to organize a uniform yeast cell distribution along the height and cross-section of the
sorption column and, as a result, to improve the champagnized wine quality. The apparatus partitioning and the use of an adsorbing nozzle with different sizes of contact elements for each section, as well as the condition development for cell rotation on the interface surfaces, enable to increase the cell distribution uniformity along the height and cross section of the biogenerator column significantly. The yeast cell distribution uniformity in terms of the value ratio of average concentrations between sections increased by 1.96 times. The ratio of freely fluctuating cells in the physiological state changed in a positive direction for this process - an increase in dying and especially autolyzed cells by 7.25 % and 24 %, respectively, compared with the state in a working biogenerator. After biogeneration, the redox potential of sparkling wine decreased by 12.8 %, the aldehydes content, as well as total and free acids decreased by 24.4 % and 23.9 %, respectively, the sparkling wine reducibility increased by 1.6 times, the enzyme activity increased: P-fructofuranosidase - by 1.24 times, proteinase - by 1.3 times. The diacetyl content decreased by 1.6 times. The content of aromatizing substances changed: the carbonyl compounds number decreased by 1.19 times, alcohols (except P-phenylethanol and propanol) - by 1.12 times, volatile esters - by 1.37 times; the number of high-boiling esters and terpenoids increased by 1.5 times. The amino acid content in the product increased by 9.6 %. The tasting score of sparkling wine increased by 0.2 points.
Keywords:
| biogenerator; model; yeast; autolysis; champagnization; nozzle; sorbent; biochemical parameters
For citation: Gennady B. Pishchikov, Vladimir A. Lazarev. Efficiency Evaluation of the Biogeneration Process in a Modernized Wine Champagne Plant. Индустрия питания|Food Industry. 2024. Vol. 9, No. 3. Pp. 43-55. DOI: 10.29141/2500-1922-2024-9-3-5. EDN: MSJYHB.
Paper submitted: July 05, 2024
Введение
В условиях экономической изоляции России со стороны ведущих винодельческих стран Европы - традиционных поставщиков вина хорошего и высокого качества, остро стоит задача системного повышения качества продукции собственного производства. Эта задача напрямую касается производства игристых вин, пользующихся высоким спросом в нашей стране.
Качество игристых вин оценивается потребителем в основном по их органолептиче-ским свойствам. Однако высокие, типичные для данного вида продукции качества формируются в результате комплекса сложных биохимических, физико-химических и микробиологических процессов, протекающих последовательно на различных стадиях шампанизации виноматериалов. Для оптимального протекания указанных процессов необходимо создать максимально благоприятные условия. В технологии непрерывно-поточной шампанизации вина ведущую роль в создании таких условий играют конструктивные особенности аппаратов-биореакторов.
Именно в биогенераторах реализуются основные процессы, формирующие качественные свойства игристых вин. Основная проблема оптимизации процесса обогащения виноматери-алов биологически и поверхностно активными веществами, генерируемыми дрожжами, заключается в создании условий для равномерного распределения клеток, находящихся в стадии автолиза, по сечению и высоте аппарата, а также в принудительной ротации их на поверхности контактных элементов насадки [1-4].
Оценку качественных свойств игристых вин возможно осуществить путем исследования
распределения свободных дрожжевых клеток в адсорбционной колонне по их концентрации и физиологическому состоянию, а также биохимических и биофизических показателей шампанизированного вина.
Чрезвычайно велика роль дрожжей в формировании свойств, отражающих уровень качества игристых вин, таких как пенистые, игристые свойства, вкус, аромат, осязаемая структура. Более того, в большинстве процессов создания и формирования высококачественных вин роль дрожжей является решающей. Известно, что в биохимическом и физико-химическом взаимодействии между шампанизируемым вином и дрожжами участвуют миллиарды клеток. Чтобы как можно эффективнее использовать их потенциал, необходимо создать условия для направленного контакта виноматериала с каждой клеткой. Это является идеалом, к которому следует стремиться. На некоторых этапах это практически реально: например, когда клетки диспергированы в жидкой фазе, однако такой процесс трудно удержать в стабильном состоянии в течение технологически требуемого времени.
Более сложная задача - создание условий активного массообмена между клетками и вином в биогенераторах, являющихся насадочными адсорбционными колоннами. Элементы насадки, сорбирующие дрожжи, выступают средством для создания разности скоростей между потоком вина и последовательным однонаправленным перемещением клеток. В зависимости от производительности аппарата и принятого технологического регламента суммарная поступательная скорость дискретного перемещения
клеток может быть меньше поступательной скорости вина в 90-120 раз [5].
Еще одной важной проблемой, препятствующей участию всех клеток в массообменном процессе, является то естественное обстоятельство, что дрожжевые клетки, адгезируясь между собой, образуют многослойные осадки на элементах адсорбента. Подобное явление в классической бутылочной шампанизации в определенной степени нивелируется путем периодического взбалтывания суспензии в бутылках. В технологии непрерывно-поточной шампанизации мы предложили решить эту задачу путем принудительной мягкой гидродинамической турбулизации в зоне насадки для отрыва адсорбированных клеток от поверхности сорбента с целью дальнейшей их ротации на элементах насадки после стабилизации потока.
Таким образом, для оптимизации использования биомассы дрожжей в процессе шампанизации вина в непрерывном потоке необходимо по возможности равномерно распределить дрожжи по высоте и сечению биогенератора с учетом их физиологического состояния, с тенденцией к увеличению автолизирующихся и автолизиро-ванных клеток по ходу потока шампанизируемого вина [6].
По концентрации свободных дрожжевых клеток в различных сечениях и на различных уровнях аппарата можно судить о равномерности их фактического распределения в колонне.
После принятия предложенных мер, содействующих активной ротации клеток на сорбенте и стабилизации потока, физиологическое состояние дрожжей, взятых в аналогичных точках отбора проб, будет свидетельствовать о соответствии направленности микробиологических и биохимических процессов требованиям биотехнологии шампанизации вина.
Для определения эффективности предложенных решений в отношении качества вина необходимо было исследовать изменения его биохимических и физико-химических показателей на выходе из типового биогенератора и экспериментального аппарата. Это обусловлено тем, что ряд конкретных показателей прямо или косвенно могут отражаться на органолептиче-ских и физико-химических свойствах игристого вина. Так, биохимические процессы, протекающие при низких значениях окислительно-восстановительного потенциала, обусловливают накопление важных в органолептическом отношении соединений, которые способствуют формированию тонкого и гармоничного букета и вкуса готового продукта [7].
Протекающий через насадку с иммобилизованными дрожжами шампанизируемый винома-териал обогащается ферментами, что ускоряет
биохимические реакции, при этом в вино переходят и другие компоненты цитоплазмы клеток -азотистые вещества, фосфор. В процессе биогенерации протекают интенсивные биохимические превращения [4; 8]. Активность ферментов, концентрация азотистых соединений и поверхностно-активных веществ возрастает. Так, активность протеазы и в-фруктофуранозидазы обычно увеличивается. Выделяемые дрожжами протеазы, эстеразы, дегидрогеназы интенсифицируют реакции, обусловливающие формирование качественных особенностей игристого вина [7].
В процессе контакта с шампанизируемым вином дрожжи выделяют органолептически активные вещества, превращающиеся в аминокислоты и другие компоненты. Аминокислоты не имеют запаха, но имеют сладкий или горький вкус, влияющий в относительной степени на вкус вина. Однако основное значение аминокислот в образовании комплекса органолепти-ческих свойств - букета и вкуса вина - заключается в их участии в химических и биологических процессах. Было установлено, что некоторые аминокислоты, такие как триптофан, фенилала-нин и тирозин, оказывают благоприятное влияние на букет игристого вина [7; 9-14].
Большое значение в оценке органолептиче-ских характеристик игристых вин типа шампанского имеют пенистые и игристые свойства. Источниками и стабилизаторами этих свойств являются поверхностно-активные вещества, накопление которых происходит в биогенераторе. Именно эти вещества, продуцируемые автоли-зированными дрожжами, способствуют повышению устойчивости пены и, следовательно, улучшению игристых и пенистых свойств напитка [8]. Следует отметить, что пенообразующие свойства зависят не только от количества коллоидов, но также от их качественного состава и поверхностной активности. Наибольшее значение для формирования типичных качеств игристых вин имею поверхностно-активные вещества, образующие гелеобразно структурированные адсорбционные слои, - это азотистые вещества, полифенолы и некоторые полисахариды [8]. Следовательно, очевидна прямая взаимосвязь между физическими свойствами игристых вин и их химическим и биохимическим составом.
Таким образом, анализ биохимического состава и физических свойств шампанизированного вина, сложившихся в результате перехода веществ из автолизированных дрожжевых клеток и трансформированных компонентов, может определенно указывать на качественные характеристики получаемого готового продукта.
На основании вышесказанного целью представленной работы является оценка эффективности предложенных новых конструктивных
изменений и дополнений для устройства биогенератора, способствующих выравниванию концентрации дрожжевых клеток по высоте и поперечному сечению сорбционной колонны, а также созданию условий для ротации клеток на сорбенте.
Объекты и методы исследования
Объекты исследования:
• шампанизируемый виноматериал производства концерна «Кубань-Вино» (ГК «Ариант») сортов Шардоне, Алиготе, Рислинг, Пино белый;
• суспензия дрожжевых клеток в виномате-риале (концентрация дрожжевых клеток от 5 до 25-106 кл/см3 по высоте аппарата);
• дрожжевые клетки Sacchaгomyces ceгevisiae, производитель штаммов - ООО «Еврозаймс» (г. Москва, Россия).
Предметы исследования:
• физико-химические показатели шампанизируемого виноматериала в процессе биогенерации;
• концентрация дрожжевых клеток в шампанизируемом виноматериале на разных уровнях по высоте аппарата и при различных условиях;
• физическое состояние дрожжевых клеток.
Для проведения исследований к типовым действующим аппаратам - бродильному и биогенератору была параллельно подключена экспериментальная установка, представляющая собой уменьшенную по объему в 16 раз модель промышленного биогенератора с конструктивными изменениями и оборудованием рециркуляционной системы, описанными ранее [15]. Несмотря на существенное уменьшение объема, модель биогенератора является вертикальной «вырезкой» действующего аппарата, следовательно, масштабирована 1:1 по высоте. Это позволило исследовать процессы и изменения изучаемых показателей в реальных условиях без искажений. Таким образом, линейные скорости потоков, размеры секций по высоте, размеры элементов насадки соответствуют параметрам промышленного аппарата. Аппаратурно-тех-нологическая схема линии шампанизации вина с экспериментальной моделью биогенератора представлена на рис. 1.
Модель аппарата представляет собой трубу диаметром 500 мм и высотой 6000 мм, соответствующей длине цилиндрической части действующего биогенератора. С целью исключения основного недостатка типовых биогенераторов
Рис. 1. Аппаратурно-технологическая схема линии шампанизации вина: 1 - биогенератор типовой; 2 - ротаметр; 3 - экспериментальная модель биогенератора; 4 - насадка насыпная;
5 - теплообменники; 6 - аппарат-кристаллизатор; 7 - фильтр; 8 - сборник шампанизированного вина;
9 - насос перистальтический; 10 - барботер жидкостный; 11 - бродильный аппарат; 12 - насос-дозатор дрожжевой разводки; 13 - насос-дозатор резервуарного ликера; 14 - насос-дозатор купажа виноматериала; 15 - резервуар смеситель; 16 - насос-дозатор бродильной смеси
Fig. 1. Hardware and Technological Scheme of the Wine Champagnification Line: 1 - Typical Biogenerator; 2 - Rotameter; 3 - Experimental Biogenerator Model; 4 -Bulk Nozzle; 5 - Heat Exchangers;
6 - Crystallizer Apparatus; 7 - Filter; 8 - Collection of Sparkling Wine; 9 - Peristaltic Pump; 10 - Liquid Bubbler;
11 - Fermentation Apparatus; 12 - Yeast Distribution Dosing Pump; 13 - Reservoir Liquor Dosing Pump; 14 -Wine Blend Dosing Pump; 15 - Blending Tank; 16 - Fermentation Mixture Dosing Pump
(цилиндрическая часть заполняется насадкой одного размера элементов 20x20 мм, что приводит к задержке адсорбированных клеток преимущественно в нижней зоне аппарата с минимальной возможностью их продвижения на более высокий уровень) экспериментальная колонна разделена по высоте поперечными перфорированными перегородками на четыре равные секции по 1500 мм. Секции заполонены нерегулярной насадкой типа колец Лессинга с различными размерами контактных элементов с уменьшением от первой до четвертой секции (50; 30; 20 и 10 мм соответственно). Указанное распределение насадок предполагает равномерное размещение дрожжевых клеток на сорбенте по высоте колонны. Каждая секция колонны оснащена устройствами для отбора проб на трех уровнях по высоте и на трех расстояниях от стенок аппарата в радиальном направлении.
С целью обеспечения ротации клеток, адсорбированных на насадке, внутри аппарата смонтированы специальные устройства и соответствующая наружная система трубопроводов с запорной арматурой для рециркуляции суспензии насосом 9. Данная система предусматривает изменение направления циркуляции суспензии путем переключения соответствующих запорных вентилей.
Для определения рационального режима гидродинамического воздействия на адсорбированные дрожжи в зависимости от продолжительности процесса турбулизации изучали изменение концентрации свободных клеток в межнасадоч-ном пространстве. Применяли режимы реверсивного воздействия продолжительностью от 20 мин (10 + 10 мин) в сторону увеличения с интервалом 20 мин до достижения незначительного эффекта при дальнейшем увеличении рабочего периода взмучивания. Отбор проб производили как в секции, подвергавшейся турбулизации, так и в последующей за ней.
После каждого эксперимента в предыдущей секции начинали турбулизацию в следующей, после гарантированной стабилизации характера режима потока в экспериментальном аппарате -обычно через 24 ч.
При проведении исследований использовали принятые в энологии методы: физико-химические, биохимические, микробиологические и ор-ганолептические.
Аминокислотный состав шампанизируемого вина определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с подколоноч-ной дериватизацией агентами OPA и FMOC с получением результата в виде пиков на хрома-тограмме и сопоставлением их с пиками стандартных образцов с заведомо известными концентрациями. Применяли жидкостный хромато-
граф Agient 1260 Infinity, колонка С18РА, 3,5 мм, 4,6x150 мм, ZORBAX.
Окислительно-восстановительный потенциал определяли потенциометрическим методом с применением прибора ИТАН по ГОСТ 8.639-2014.
Фосфор определяли фотометрическим методом, основанным на проведении реакции фосфата с молибдатом в кислой среде с образованием молибдатофосфорного комплекса. Содержание общего азота определяли по Кьельдалю согласно ГОСТ Р 51438-99. Аминный азот определяли методом Попе - Стевенса по ГОСТ 53219-2008.
Аммиачный азот определяли методом вытеснения аммиака избытком гидроксида натрия, перегонкой и определением выхода аммиака в заданном объеме стандартной серной кислоты и титрованием серной кислоты.
Анализ содержания терпенов проводили на газовом хроматографе НР 7890А (Agient Technologies), подключенном к квадрупольному масс-спектрометру 5977В, оснащенному авто-самплером Gerstel MPS3. Для количественной оценки были получены масс-спектры в выбранном режиме ионного мониторинга.
Ароматобразующие спирты, карбонильные соединения определяли методом газовой хроматографии с масс-селективным детектированием с использованием системы Agient Technologies 6850 Series 2. Разделение компонентов проводили на капиллярной колонке HP-5MS.
Для определения количества клеток дрожжей в 1 см3 шампанизируемого вина производили подсчет в счетной камере Горяева по стандартной методике с применением микроскопа Leica DM LS2.
Определение физиологического состояния дрожжевых клеток проводили микроскопи-рованием по стандартной, принятой в энологии методике. Для точного определения фазы трансформирующихся клеток проводили их окрашивание 0,001 % водным раствором метиленово-го синего.
Результаты исследования и их обсуждение
При сравнительном изучении изменения концентрации свободных, интактных по отношению к сорбенту дрожжевых клеток по ходу движения потока суспензии «шампанизируемый винома-териал - дрожжи» в типовом и экспериментальном аппаратах были получены результаты, представленные на рис. 2.
Из результатов проведенного эксперимента следует, что в первых трех основных секциях опытного аппарата распределение свободных флуктуирующих клеток по высоте экспериментальной колонны в целом значительно равномернее по сравнению с аналогичными зонами
x x c;
2 *
0 i-
01
*
x: л Ш
01
*
* о
Q.
о: s J Л) Q.
X
ai J x о
25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
s-
/ г
/ > / \
Г* / t
f л L
1 ы А
Турбулизация:
I секция
Il секция
I секция
20 мин 40 мин 60 мин 80 мин
20 мин 40 мин 60 мин 80 мин
20 мин 40 мин 60 мин 80 мин
Концентрация свободных дрожжевых клеток:
До модернизации - После модернизации
500
Fig.
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Высота поперечного сечения аппарата, мм
Рис. 2. Динамика изменения концентрации свободных дрожжевых клеток по высоте типового и экспериментального аппаратов (с турбулизацией) 2. Change Dynamics in the Free Yeast Cell Concentration by Height of the Standard and Experimental Apparatus
(with Turbulence)
в типовом аппарате. Так, равномерность распределения клеток в первой секции повысилась на 24 %, во второй - на 44 %, в третьей - на 50 %. В целом распределение концентрации дрожжей по высоте экспериментального аппарата улучшилась в 1,96 раза. Это стало следствием того, что в новых условиях клетки имеют возможность более равномерно и в более тонком слое сорбироваться на поверхности элементов насадки по всей высоте колонны, вплоть до четвертой со-рбционно-фильтрующей секции.
После проведения мягкой турбулизации суспензии последовательно в секциях экспериментального аппарата, моделирующей процесс взбалтывания в технологии бутылочной шампанизации, концентрация дрожжей в условно установившемся режиме потока с остаточным участием свободных неседиментированных клеток естественно увеличилась. При изучении эффективности процесса десорбции предложенным способом определяли рациональный режим по продолжительности рециркуляции с учетом концентрации свободных клеток в суспензии. Концентрация свободных клеток увеличивается пропорционально продолжительности процесса взмучивания (рис. 2, кривые изменения концентрации при продолжительности турбулизации 20; 40; 60 и 80 мин). Однако увеличение продолжительности гидродинамической десорбции уже с 60 до 80 мин давало незначительный
эффект увеличения концентрации клеток лишь на 5-7 %. Таким образом, рациональным был принят режим продолжительности турбулиза-ции поперечными потоками 60 мин.
В целях изучения изменения концентрации свободных дрожжевых клеток при гидродинамической турбулизации суспензии после окончания эксперимента в первой секции, далее поочередно во второй и третьей секциях проводили взмучивание через 24 ч - после полной стабилизации потока (расчетное время обмена жидкости в аппарате 23 ч).
В первой секции концентрация свободных клеток в стабильном штатном потоке составляла 4,5 млн кл/см3, при турбулизации в течение 20 мин достигала 7,45 млн кл/смз, в течение 40 мин - 9,4 млн кл/смз, в течение 60 мин - 12,5 млн кл/смз и в течение 80 мин - 13,6 млн кл/смз.
Во второй секции при средней концентрации 3,65 млн кл/смз в ламинарном потоке при рациональном времени турбулизации 60 мин концентрация клеток достигла 15,6 млн кл/смз.
Наконец, в третьей рабочей секции при средней концентрации 3,2 млн кл/смз при аналогичном режиме турбулизации концентрация свободных клеток достигла 16,9 млн кл/смз.
Обращает на себя внимание кажущаяся аномалия: убывая от первой до третьей секции при турбулизации, концентрация свободных клеток по ходу потока, наоборот, растет. Это можно
объяснить тем, что в верхних секциях аппарата накапливается больше клеток в более угнетенном и мертвом физиологическом состоянии. При этом известно, что клетки по мере старения значительно уменьшают адгезионную способность как в отношении адсорбционного удерживания сорбентом, так и в межклеточном вза-
имодействии [4]. этот аспект исследовали для подтверждения данной гипотезы в отношении изменения физиологического состава дрожжевых клеток при перемещении потока по высоте биогенератора. Результаты исследований представлены для экспериментального аппарата в табл. 1 и для типового биогенератора в табл. 2.
Таблица 1. Физиологическое состояние дрожжевых клеток в различных секциях экспериментального аппарата Table 1. Physiological State of Yeast Cells in Various Sections of the Experimental Apparatus
Клетки Номер Доля дрожжевых клеток, % к общему количеству, в зависимости от порядка секции
эксперимента 1 2 3 4
1 10,0 ± 0,5 4,0 ± 0,5 - -
активные 2 8,0 ± 0,5 3,0 ± 0,5 - -
01 .a CÛ 3 9,0 ± 0,5 5,0 ± 0,5 - -
Среднее 9,0 ± 0,5 4,0 ± 0,5 - -
s * 1 89,0 ± 0,5 71,0 ± 0,5 39,0 ± 0,5 5,0 ± 0,5
угнетенные 2 87,0 ± 0,5 69,0 ± 0,5 40,0 ± 0,5 4,0 ± 0,5
3 82,0 ± 0,5 70,0 ± 0,5 38,0 ± 0,5 6,0 ± 0,5
Среднее 86,0 ± 0,5 70,0 ± 0,5 39,0 ± 0,5 5,0 ± 0,5
1 4,0 ± 0,5 25,0 ± 0,5 40,0 ± 0,5 64,0 ± 0,5
отмирающие 2 3,0 ± 0,5 24,0 ± 0,5 39,0 ± 0,5 62,0 ± 0,5
01 3 5,0 ± 0,5 23,0 ± 0,5 41,0 ± 0,5 63,0 ± 0,5
.a CÛ i— Среднее 4,0 ± 0,5 24,0 ± 0,5 41,0 ± 0,5 64,0 ± 0,5
Œ 01 2 1 - 2,0 ± 0,5 23,0 ± 0,5 34,0 ± 0,5
автолизированные 2 - 4,0 ± 0,5 18,0 ± 0,5 28,0 ± 0,5
3 - 3,0 ± 0,5 19,0 ± 0,5 31,0 ± 0,5
Среднее - 3,0 ± 0,5 20,0 ± 0,5 31,0 ± 0,5
Клетки Номер Доля дрожжевых клеток, % к общему количеству, в зависимости от расстояния от входной секции аппарата
эксперимента 1,25 2,75 4,25 5,75
1 9 ± 0,5 4 ± 0,5 - -
активные 2 10 ± 0,5 3 ± 0,5 - -
е .а в 3 11 ± 0,5 5 ± 0,5 - -
Среднее 10 ± 0,5 4 ± 0,5 - -
и * 1 85 ± 0,5 74 ± 0,5 42 ± 0,5 9 ± 0,5
угнетенные 2 84 ± 0,5 72 ± 0,5 44 ± 0,5 11 ± 0,5
3 86 ± 0,5 73 ± 0,5 43 ± 0,5 10 ± 0,5
Среднее 85 ± 0,5 73 ± 0,5 43 ± 0,5 11 ± 0,5
1 5 ± 0,5 21 ± 0,5 35 ± 0,5 63 ± 0,5
отмирающие 2 4 ± 0,5 20 ± 0,5 36 ± 0,5 62 ± 0,5
01 3 6 ± 0,5 22 ± 0,5 37 ± 0,5 61 ± 0,5
ы ш т Среднее 5 ± 0,5 21 ± 0,5 36 ± 0,5 62 ± 0,5
р 01 2 1 - 3 ± 0,5 21 ± 0,5 28 ± 0,5
автолизированные 2 - 2 ± 0,5 20 ± 0,5 27 ± 0,5
3 - 1 ± 0,5 22 ± 0,5 26 ± 0,5
Среднее - 2 ± 0,5 21 ± 0,5 27 ± 0,5
Таблица 2. Физиологическое состояние дрожжевых клеток в различных зонах по высоте типового аппарата Table 2. Physiological State of Yeast Cells in Different Zones by Height of the Standard Apparatus
Анализ полученных соотношений клеток, находящихся в различном физиологическом состоянии, выраженный в процентах к общему их количеству в данном объеме, показал явную тенденцию к увеличению отмирающих и особенно автолизированных клеток по высоте экспериментального аппарата в сравнении с типовым биогенератором на 7,25 и 24 % соответственно. Данная тенденция закономерно влияет на активизацию автолитических реакций и, следовательно, на увеличение компонентов, обогащающих шампанизируемое вино биологически и поверхностно-активными веществами, являющимися одновременно веществами, которые положительно влияют на ароматические, вкусовые и физические свойства игристого вина.
Для подтверждения данного логического вывода провели сравнительный анализ биохимических и биофизических показателей, а также органолептическая оценка шампанизированного вина, полученного на выходе из типового биогенератора и экспериментального аппарата.
Вначале выделили и исследовали наиболее вероятные биохимические и химические маркеры качества - показатели, в определенной степени влияющие на качественные характеристики и свойства получаемого игристого
вина [4; 7]. Таковыми были определены: типичные биохимические показатели, аминокислоты, ароматобразующие легколетучие вещества, ароматобразующие вещества карбонильных соединений, ароматобразующие спирты, сложные эфиры, терпеноиды, а также физико-химические показатели и дегустационная оценка. Величины показателей исследованных групп веществ представлены в табл. 3-9.
Из полученных данных следует, что биохимические и физико-химические показатели шампанизированного вина, оцениваемого на выходе после биогенерации, в результате влияния распределения дрожжевых клеток по концентрации и физиологическому состоянию претерпели изменения типичной направленности [4; 7;8]. Сравнение изменений в типовом биогенераторе и экспериментальном аппарате представлено в табл. 3. Так, значение окислительно-восстановительного потенциала уменьшилось на 9,7 % в экспериментальном аппарате по сравнению с типовым. Содержание альдегидов снизилось: общих - на 24,4 % свободных - на 23,9 %. Восстановительная способность шампанизированного вина повысилась в 1,6 раза. Активность ферментов возросла: в-фруктофуранозида-зы (БФФ) - в 1,24 раза, протеиназы - в 1,3 раза.
Таблица 3. Влияние распределения дрожжевых клеток по концентрации и физиологическому состоянию в аппаратах на биохимические показатели шампанизируемого вина Table 3. Yeast Cell Distribution Impact on the Biochemical Parameters of the Champagnized Wine by the Concentration and Physiological State in the Apparatus
Показатель На входе в биогенератор и экспериментальный аппарат На выходе из биогенератора На выходе из экспериментального аппарата
Окислительно-восстановительный потенциал, мВ 390 360 325
Азот, мг/дмз: общий аминный аммиачный 256,0 158,0 12,0 258,0 165,0 10,0 297,0 176м 8,0
Альдегиды, мг/дмз: общие свободные 90,0 7,9 70,1 4,6 53,0 3,5
Восстановительная способность, с 8 5 3
Активность ферментов, мг/дмз: в-фруктофуранозидазы протеиназы 60,0 3,9 78,0 6,3 97,0 8,2
Фосфор общий, мг/дм3 154 132 133
Диацетил, мг/дмз 0,7 0,4 0,25
Устойчивость двусторонних пленок, с 7 10 12,6
Коэффициент сопротивления вина выделению СО2 1,01 1,05 1,07
Изопентанол 210,0 160,0 140,0
Дегустационная оценка - 8,9 9,1
Таблица 4. Изменение содержания аминокислот в шампанизируемом вине в биогенераторе и экспериментальной модели Table 4. Changes in the Amino Acid Content ofChampagnized Wine in a Biogenerator and an Experimental Model
Аминокислота Содержание, мг/дм3
на входе в биогенератор и экспериментальный аппарат на выходе из биогенератора на выходе из экспериментального аппарата
Лизин 31,0 31,6 36,4
Гистидин Следы 16,4 16,0
Аргинин 117,0 127,5 152,0
Аспарагиновая кислота 21,0 23,1 25,9
Треонин 13,0 16,3 38,4
Серин 11,1 13,7 20,0
Глютаминовая кислота 15,0 26,2 35,1
Пролин 215,0 240,0 284,0
Глицин 12,8 18,1 22,0
Аланин 93,2 97,0 106,0
Цистеин Следы 0,8 0,7
Валин 9,1 9,6 11,9
Метионин Следы Следы Следы
Изолейцин 7,5 11,8 15,0
Лептин 17,0 26,3 28,2
Тирозин 14,1 14,0 14,6
Фенилаланин 10,4 11,1 14,4
Итого 587,2 683,5 820,6
Таблица 5. Содержание ароматообразующих веществ в шампанизируемом вине при биогенерации Table 5. Aroma-Forming Substances Content in Champagnized Wine during Biogeneration
Содержание, мг/дмз
Компонент на входе в биогенератор и экспериментальный аппарат на выходе из биогенератора на выходе из экспериментального аппарата
Сложные эфиры (высококипящие) Диэтилсукцинат 4,5 10,1 18,6
Изоамиллактат 1,4 2,0 2,7
Этилэнонтат 1,0 1,6 1,9
в-фенилэтилацетат 1,8 5,9 9,8
Изобутилактат 9,5 16,0 22,0
Изоамилакприлат 0,9 1,5 2,8
Изобунтракапринат 0,1 0,2 0,3
Этиллаурат 0,1 0,2 0,2
Гексилкаприлат 0,7 0,5 0,3
Гексилэнантат 0,1 0,2 0,4
Изоамиллаурат 0,7 4,3 7,9
в-фенилэтилкапронат 1,3 3,7 5,2
Этилпольмиатат 5,4 7,6 12,1
Кислый этиловый эфир янтарной кислоты 3,8 9,3 15,0
Итого 31,3 63,1 99,2
Таблица 6. Содержание ароматобразующих спиртов в шампанизируемом вине при биогенерации Table 6. Aroma-Forming Alcohol Content in Champagnized Wine during Biogeneration
Содержание, мг/дмз |
Компонент на входе в биогенератор и экспериментальный аппарат на выходе из биогенератора на выходе из экспериментального аппарата
ß-фенилэтанол 5,6 12,2 15,4
Пропанол 10,5 13,6 18
н-бутанол 3,9 4,7 5,9
Изобутанол 52,1 46,5 37,4
Изопентанол 260,0 237,0 204,0
н-пентанол 1,4 0,7 0,5
Гексанол 0,55 0,4 0,3
Итого 334,05 315,1 281,5
Таблица 7. Содержание ароматообразующих веществ (легколетучих) в шампанизируемом вине при биогенерации Table 7. Aroma-Forming (Volatile) Substances Content in Champagnized Wine during Biogeneration
Содержание, мг/дм |3
Компонент на входе в биогенератор и экспериментальный аппарат на выходе из биогенератора на выходе из экспериментального аппарата
Этилацетат 27,0 12,7 8,3
Этилформиат 6,3 5,2 4,4
Этиллактат 29,4 21,0 18,2
Изоамилацетат 19,1 12,3 6,8
Изобутилбутират 0,3 0,2 0,1
Пропилпропионат 3,3 2,7 1,7
Итого 85,4 54,05 39,48
Таблица 8. Содержание терпеноидов в шампанизируемом вине при биогенерации Table 8. Terpenoid Content in Champagnized Wine during Biogeneration
Содержание, мг/дм3
Компонент на входе в биогенератор и экспериментальный аппарат на выходе из биогенератора на выходе из экспериментального аппарата
Линалоол 0,2 0,4 0,5
Гераниол 0,01 0,03 0,06
Цпсфарнезол 0,2 0,45 0,7
Трансфарнезол 0,3 0,55 0,9
Итого 0,71 1,43 2,16
Таблица 9. Содержание ароматообразующих веществ - карбонильных соединений в шампанизируемом вине при биогенерации Table 9. Aroma-Forming Substances - Carbonyl Compounds Content in Champagnized Wine during Biogeneration
Содержание, мг/дм A3
Компонент на входе в биогенератор и экспериментальный аппарат на выходе из биогенератора на выходе из экспериментального аппарата
Ацетальдегид 33,0 26,0 21,0
Диацетил 0,4 0,2 0,1
Пропиловый альдегид 11,8 9,1 8,4
Гептаналь 0,2 0,25 0,3
Итого 45,4 35,55 29,8
Содержание азота в связи с его переходом из дрожжей в вино в экспериментальном аппарате по сравнению с типовым увеличилось: общего - на 39 мг/дм3, аминного - на 11 мг/дм3 и аммиачного - на 2 мг/дмз. Содержание фосфора общего изменилось незначительно. Содержание диацетила уменьшилось в 1,6 раза. Устойчивость двусторонних пленок повысилась на 19 %. Значительно изменилось содержание в шампанизируемом вине ароматобразующих веществ: уменьшилось количество карбонильных соединений в 1,19 раза, спиртов (кроме в-фенилэтанола и пропанола) - в 1,12 раза, легколетучих сложных эфиров - в 1,37 раза, но в то же время в 1,5 раза увеличилось количество сложных высоко-кипящих эфиров и терпеноидов. Содержание аминокислот в продукте увеличилось на 9,6 %. Дегустационная оценка игристого вина повысилась на 0,2 балла. Таким образом, полученные значения биохимических и физико-химических показателей доказывают положительное влияние выравнивания концентрации дрожжевых клеток по поперечному сечению и высоте сорб-ционной колонны биогенератора и создание условий для ротации клеток на сорбенте.
Заключение
Предложенные авторами конструктивные и технологические решения направлены на решение задачи, связанной с организацией равномерного распределения дрожжевых клеток по высоте и поперечному сечению сорбцион-ной колонны, обусловливающего повышение
качества шампанизируемого вина. В результате исследования концентрации свободных дрожжевых клеток в потоке шампанизируемого вина показано, что степень равномерности распределения клеток по сечению и высоте биогенератора предложенной конструкции повысилась в 1,96 раза.
Изучено изменение соотношения дрожжевых клеток, находящихся в различном физиологическом состоянии, в потоке шампанизируемого вина на различных уровнях сорбционной колонны. Показано положительное влияние на комбинацию клеток предложенных устройств для мягкой турбулизации потока в секциях экспериментального аппарата, обеспечивающих возможность ротации клеток, иммобилизованных на насадке.
Выполнен сравнительный анализ биохимических и биофизических показателей, а также органолептической оценки шампанизированного вина, полученного в типовом биогенераторе и экспериментальном аппарате. Показано положительное влияние предложенных конструктивных и технологических решений на качество игристого вина. Проведенные исследования доказывают правильность предложенных решений по модернизации биогенератора в установке шампанизации вина в непрерывном потоке.
В конечном итоге исследования направлены на установление степени влияния изменений условий протекания процессов биогенерации на конечное качество получаемого игристого вина.
Библиографический список
1. Христофорова И.С. Активность дрожжей в состоянии стресса // Старт в науке. 2019. № 5, ч. 1. C. 19-25.
2. Банницына Т.Е., Канарский А.В., Чеботарь В.К. и др. Дрожжи в современной биотехнологии // Вестник Международной академии холода. 2016. № 1. С. 24-29. DOI: https://doi.org/10.21047/1606-4313-2016-16-1-24-29. EDN: https://www.elibrary.ru/tqxlky.
3. Варфоломеев С.Д., Луковенков А.В., Семенова Н.А. Устойчивость метаболизма // Физическая химия биопроцессов / под ред. С.Д. Вар-фоломеева. М.: Красанд, 2014. С. 13-67.
4. Саришвили Н.Г., Рейтблат Б.Б. Микробиологические основы технологии шампанизации вина. М.: Пищевая промышленность, 2000. 364 с. ISBN: 5-89703-025-1.
5. Пищиков Г.Б. Научные обоснования и разработка технологии, процессов и аппаратов шампанизации вина: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2002. 315 с. EDN: https://www.elibrary.ru/nmahbb.
6. Пищиков Г.Б., Попова Д.Г., Минухин Л.А. К вопросу иммобилизации микроорганизмов на контактных поверхностях в продольно-секционированных биореакторах // АПК России. 2020. Т. 27, № 3. С. 557-562. EDN: https://www.elibrary.ru/xnnoer.
7. Авакянц С.П. Биохимические основы технологии шампанского. М.: Пищевая промышленность, 1980. 351 с.
8. Мержаниан А.А. Физико-химия игристых вин. М.: Пищевая промышленность, 1979. 271 с.
9. Berbegal, C.; Spano, G.; Tristezza, M., et al. Microbial Resources and Innovation in the Wine Production Sector. South African Journal of Enology and Viticulture. 2017. Vol. 38. Iss. 2. Pp. 156-166. DOI: https://doi.org/10.21548/38-2-1333.
10. Просеков А.Ю., Неверова О.А., Пищиков Г.Б. и др. Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения. 2-е изд., перераб. и доп. Кемерово: КемГУ, 2019. 262 с. ISBN: 978-5-8353-2544-3. EDN: https://www.elibrary.ru/tbbgud.
11. Moreno-García, J.; García-Martínez, T.; Mauricio, J.C., et al. Yeast immobilization systems for alcoholic wine fermentations: actual trends and future perspectives. Frontiers in Microbiology. 2018. Vol. 9. Article number: 241. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.00241.
12. Оганесянц Л.А., Рейтблат Б.Б., Дубинчук Л.В. и др. Исследование процесса вторичного брожения с использованием флуктуирующих и иммобилизованных дрожжей // Виноделие и виноградарство. 2012. № 5. C. 16-18. EDN: https://www.elibrary.ru/pdhwqb.
13. Nedovic, V.; Gibson, B.; Mantzouridou, Th. F., et al. Aroma Formation by Immobilized Yeast Cells in Fermentation Processes. Yeast. 2014. Vol. 32. Iss. 1. Pp. 173-216. DOI: https://doi.org/10.1002/yea.3042.
14. Косюра В.Т. Игристые вина. История, современность и основные направления производства. Краснодар: Просвещение-Юг, 2006. 504 с. ISBN: 5-98272-029-1.
15. Пищиков Г.Б., Лазарев В.А., Позняковский В.М. и др. Оптимизация использования биомассы дрожжей в биогенераторе установки шампанизации вина // Индустрия питания|Food Industry. 2022. Т. 7, № 4. С. 15-24. DOI: https://doi.org/10.29141/2500-1922-2022-7-4-2. EDN: https://www.elibrary.ru/xbytsa.
Bibliography
1. Hristoforova, I.S. Aktivnost Drozhzhej v Sostoyanii Stressa [Yeast Activity under the Stress]. Start v Nauke. 2019. No. 5. P. 1. Pp. 19-25. (in Russ.)
2. Bannicyna, T.E.; Kanarskij, A.V.; Chebotar, V.K. i dr. Drozhzhi v Sovremennoj Biotekhnologii [Yeast in Modern Biotechnology]. Vestnik Mezhdun-arodnoj Akademii Holoda. 2016. No. 1. Pp. 24-29. DOI: https://doi.org/10.21047/1606-4313-2016-16-1-24-29. EDN: https://www.elibrary.ru/tqxlky. (in Russ.)
3. Varfolomeev S.D., Lukovenkov A.V., Semenova N.A. Ustojchivost Metabolizma [Metabolic Stability]. Fizicheskaya Himiya Bioprocessov. Pod Red. S.D. Varfolomeeva. M.: Krasand, 2014. Pp. 13-67. (in Russ.)
4. Sarishvili, N.G.; Rejtblat, B.B. Mikrobiologicheskie Osnovy Tekhnologii Shampanizacii Vina [Microbiological Foundations of Wine Champagnifi-cation Technology]. M.: Pishchevaya Promyshlennost. 2000. 364 p. ISBN: 5-89703-025-1. (in Russ.)
5. Pishchikov, G.B. Nauchnye Obosnovaniya i Razrabotka Tekhnologii, Processov i Apparatov Shampanizacii Vina [Scientific Substantiation and Development of Technology, Processes and Devices of Wine Champagnification]: Dis. ... D-ra Tekhn. Nauk. M., 2002. 315 p. EDN: https://www. elibrary.ru/nmahbb. (in Russ.)
6. Pishchikov, G.B.;Popova, D.G.; Minuhin, L.A. K Voprosu Immobilizacii Mikroorganizmov na Kontaktnyh Poverhnostyah v Prodolno-Se-kcionirovannyh Bioreaktorah [On the Issue of Microorganism Immobilization on Contact Surfaces in Longitudinally Sectioned Bioreactors]. APK Rossii. 2020. Vol. 27. No. 3. Pp. 557-562. EDN: https://www.elibrary.ru/xnnoer. (in Russ.)
7. Avakyanc, S.P. Biohimicheskie Osnovy Tekhnologii Shampanskogo [Biochemical Foundations of Champagne Technology]. M.: Pishchevaya Promyshlennost. 1980. 351 p. (in Russ.)
8. Merzhanian, A.A. Fiziko-Himiya Igristyh Vin [Physics and Chemistry of Sparkling Wines]. M.: Pishchevaya Promyshlennost, 1979. 271 p. (in Russ.)
9. Berbegal, C.; Spano, G.; Tristezza, M., et al. Microbial Resources and Innovation in the Wine Production Sector. South African Journal of Enology and Viticulture. 2017. Vol. 38. Iss. 2. Pp. 156-166. DOI: https://doi.org/10.21548/38-2-1333.
10. Prosekov, A.Yu.; Neverova, O.A.; Pishchikov, G.B. i dr. Pishchevaya Biotekhnologiya Produktov iz Syrya Rastitelnogo Proiskhozhdeniya [Food Biotechnology of Products from Raw Materials of Plant Origin]. 2-e Izd., Pererab. i Dop. Kemerovo: KemGU. 2019. 262 p. ISBN: 978-5-8353-2544-3. EDN: https://www.elibrary.ru/tbbgud. (in Russ.)
11. Moreno-García, J.; García-Martínez, T.; Mauricio, J.C., et al. Yeast immobilization systems for alcoholic wine fermentations: actual trends and future perspectives. Frontiers in Microbiology. 2018. Vol. 9. Article number: 241. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.00241.
12. Oganesyanc, L.A.; Rejtblat, B.B.; Dubinchuk, L.V. i dr. Issledovanie Processa Vtorichnogo Brozheniya s Ispolzovaniem Fluktuiruyushchih i Im-mobilizovannyh Drozhzhej [Process Research of Secondary Reproduction Using Microbiological and Microbilization Technologies]. Vinodelie
i Vinogradarstvo. 2012. No. 5. Pp. 16-18. EDN: https://www.elibrary.ru/pdhwqb. (in Russ.)
13. Nedovic, V.; Gibson, B.; Mantzouridou, Th. F., et al. Aroma Formation by Immobilized Yeast Cells in Fermentation Processes. Yeast. 2014. Vol. 32. Iss. 1. Pp. 173-216. DOI: https://doi.org/10.1002/yea.3042.
14. Kosyura, V.T. Igristye Vina. Istoriya, Sovremennost i Osnovnye Napravleniya Proizvodstva [Sparkling Wines. History, Modernity and the Main Production Directions]. Krasnodar: Prosveshchenie-Yug, 2006. 504 p. ISBN: 5-98272-029-1. (in Russ.)
15. Pishchikov, G.B.; Lazarev, V.A.; Poznyakovskij, V.M. i dr. Optimizaciya Ispolzovaniya Biomassy Drozhzhej v Biogeneratore Ustanovki Shampanizacii Vina [Yeast Biomass Use Optimization in the Wine Champagnization Biogenerator]. Industriya Pitaniya|Food Industry. 2022. Vol. 7. No. 4. Pp. 15-24. DOI: https://doi.org/10.29141/2500-1922-2022-7-4-2. EDN: https://www.elibrary.ru/xbytsa. (in Russ.)
Информация об авторах / Information about Authors
Пищиков
Геннадий Борисович
Pishchikov, Gennady Borisovich
Твл./Phone: +7 (343) 283-10-66 E-mail: gbp@k66.ru
Доктор технических наук, профессор кафедры пищевой инженерии Уральский государственный экономический университет
620144, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Food Engineering Department Ural State University of Economics
620144, Russian Federation, Ekaterinburg, 8 Marta/Narodnoy Voli St., 62/45 ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4899-8984
Лазарев
Владимир Александрович
Lazarev,
Vladimir Alexandrovich
Твл./Phone: +7 (343) 283-10-вв E-mail: lazarev.eka@gmail.com
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой пищевой инженерии Уральский государственный экономический университет
620144, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Food Engineering Department
Ural State University of Economics
620144, Russian Federation, Ekaterinburg, 8 Marta/Narodnoy Voli St., 62/45 ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0470-7324
Вклад авторов:
Пищиков Г.Б. - научное руководство, разработка концепции научного исследования, контроль над проведением научного исследования;
Лазарев В.А. - экспертное участие в настоящем научном исследовании, научная консультация, контроль над проведением научного исследования. Contribution of the Authors:
Pishchikov, Gennady B. - scientific management, developing the research concept, control over the research conducted; Lazarev, Vladimir A. - expert participation in the research, scientific consultation, control over the research conducted.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.
