CC BY
2705.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства (технические науки) DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2020.03.004 УДК 663.3
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВАТОРОВ БРОЖЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ДИСТИЛЛЯТОВ ИЗ ПЛОДОВ КИЗИЛА
Л. А. Оганесянц, Л. Н. Крикунова, Е. В. Дубинина, С. Д. Швец
Настоящая работа посвящена оценке перспектив применения активаторов брожения в технологии дистиллятов из плодов кизила. Испытаны пять образцов активаторов брожения, наиболее часто применяемых в бродильных производствах и виноделии. Сравнительная оценка растворимых фракций испытанных препаратов показала, что они существенно различаются по содержанию растворимого белка, свободных аминокислот и минеральному составу. Установлено, что интенсивность процесса сбраживания кизиловой мезги и выход этанола повышаются при использовании активаторов с высоким содержанием свободных аминокислот. При этом использование активатора с концентрацией свободных аминокислот более 1000 мг/дм3 и содержанием фосфора до 60 мг/дм3 приводило к образованию более высокой концентрации метанола. Минимальное образование метанола зафиксировано в образцах сброженной кизиловой мезги с использованием активатора брожения Вита Ферм Ультра ФЗ (Erbslöh, Германия), содержащего в растворимой части максимальное количество фосфора - более 3000 мг/дм3. Показано, что использование при сбраживании кизиловой мезги активаторов с величиной отношения концентрации аминного азота к концентрации фосфора от 0,07 до 0,10 позволяет получить сброженное сусло с достаточно высокой концентрацией этилового спирта и оптимальным содержанием основных летучих компонентов.
Ключевые слова: активаторы брожения, состав растворимых компонентов, азотсодержащий комплекс, свободные аминокислоты, минеральные вещества, эффективность брожения, сброженная кизиловая мезга, выход этанола, метанол, летучие компоненты.
Разработка новых инновационных технологий дистиллятов из культурного и дикорастущего фруктового сырья на основе изучения процессов трансформации его биохимического состава является одним из приоритетных направлений научных исследований, проводимых в течение последнего десятилетия во ВНИИПБиВП. В результате созданная научно-практическая база позволила существенно расширить ассортимент высококачественной продукции на основе фруктовых (плодовых) дистиллятов и повысить конкурентоспособность отечественных спиртных напитков. Научная новизна разработанных технологий защищена Патентами РФ [1, 2, 3, 4], предложенные технологические решения внедрены на ведущих российских предприятиях.
В настоящее время работы специалистов института посвящены вовлечению в производство дистиллятов нового перспективного вида сырья - кизила. Повышенный интерес к данному виду сырья обусловлен тем, что кизил, встречающийся как в дикорастущем виде, так и в виде культурных форм, распространен не только в пределах его естественного ареала (Кавказ), но также в более северных регионах Российской Федера-
ции. Связано это с неприхотливостью растения, способностью его переносить морозы до минус 30-35 °С и устойчивостью к засухе.
Плоды кизила, как культурного, так и дикорастущего, обладают сильным приятным ароматом, который усиливается при тепловой обработке. Это свойство кизила позволит получать продукцию с оригинальными органо-лептическими характеристиками.
На основании результатов исследования биохимического состава плодов культурного и дикорастущего кизила установлено, что данный вид сырья может рассматриваться как перспективный для производства дистиллятов. Плоды кизила характеризуются высоким содержанием сахаров, представленных преимущественно моносахаридами [5]. Также установлено высокое содержание органических кислот и фенольных соединений в данном виде сырья [5, 6], что необходимо учитывать при разработке режимных параметров подготовки его к дистилляции. Анализ азотсодержащего комплекса плодов кизила показал, что по сравнению с другими видами фруктов они характеризуются более низкой массовой концентрацией свободных аминокислот (по сравнению с яблоками в 1,5 раза меньше) и одновременно более высоким содержанием фос-
фора (по сравнению с яблоками в 2,5 раза выше) [7, 8].
Сравнительная оценка способов подготовки плодов кизила к дистилляции показала, что оптимальным является способ подготовки сырья, предусматривающий сбраживание мезги. Применение данного способа позволяет сократить продолжительность процесса в 2 раза, повысить выход этанола в среднем на 1,4 %, снизить концентрацию метанола и отдельных высших спиртов в сброженном сырье, а также способствует образованию ценных ароматобразующих летучих компонентов [9].
В целом, в качестве варьируемых факторов на стадии сбраживания сырья, в т. ч. и фруктового, рассматриваются используемая раса дрожжей, ферментные препараты, режимы сбраживания (норма внесения дрожжей, температура, аэрация). На эффективность процесса сбраживания и направленность проходящих при этом биохимических реакций оказывает влияние метаболизм дрожжей. Известно, что для стимуляции роста и развития дрожжевой популяции, а также с целью направленного регулирования образования вторичных продуктов брожения, широко используются активаторы брожения [10, 11, 12].
Цель настоящей работы состояла в оценке перспектив применения активаторов брожения в технологии дистиллятов из плодов кизила.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве объектов исследования использовали пять образцов активаторов брожения и образцы сброженной кизиловой мезги, полученной с их использованием.
Образец 1 - Активит (IOC, Франция). Комплексная подкормка, состоящая из инак-тивированных дрожжей, диамония фосфата и тиамина. Предназначен для добавления в виноградное сусло при дефиците азота. По данным производителя, способствует хорошему размножению дрожжей и поддержанию их бродильной активности.
Образец 2 - Истлайф Экстра (Lallemand, Великобритания) представляет собой комплексную смесь питательных веществ, содержащую растворимые протеины, аминокислоты, минералы и витамины. Рекомендован к использованию в технологии пивоварения с целью обеспечения энергичного накопления активных дрожжевых клеток, усиления их бродильной активности и сохранения заданных свойств расы длительное время.
Образец 3 - Биоклин (IOC, Франция) представляет собой смесь из инактивирован-ных дрожжей и инертного вспомогательного материала. Предназначен для интенсификации процессов брожения в виноделии.
Образец 4 - Шиха Спид Ферм (Begerow, Германия) - смесь неактивных дрожжей, обогащенная витаминами группы B, минеральными веществами (магний, цинк, марганец) и аминокислотами. Данный препарат рекомендован к использованию в виноделии для ускорения размножения дрожжевых клеток, увеличения количества активных клеток в процессе брожения, обеспечения высокой степени вы-браживания и сокращения образования H2S.
Образец 5 - Вита Ферм Ультра ФЗ (Erbslöh, Германия) - мультипитательный комплекс, содержащий инактивированные дрожжи, диаммоний фосфат и тиамин. Используют в виноделии для быстрого забражи-вания, повышения эффективности брожения и снижения образования нежелательных вторичных продуктов брожения.
В связи с тем, что для дрожжей доступными являются только растворимые формы веществ активаторов, были приготовлены водные экстракты путем смешивания сухого компонента и дистиллированной воды в определенном соотношении (1 : 50), настаивания в течение 10 минут при периодическом перемешивании с последующим отделением жидкой фазы путем центрифугирования.
В водных экстрактах определяли массовую концентрацию растворимых белков (метод Лоури) [13], массовую концентрацию аминного азота (медный способ) [14]. Массовую концентрацию аммиачного азота определяли диффузионным методом [15]. Массовую концентрацию свободных аминокислот определяли с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии на приборе «Agilent Technologies 1200 Series» («Agilent», США) [16]. Массовую концентрацию минеральных веществ определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS-3 («Карл Цейс Иена», Германия) [17].
Объемную долю этилового спирта в сброженной кизиловой мезге определяли по ГОСТ 32095-2013 [18].
Состав летучих компонентов определяли газохроматографическим методом на приборе «Кристалл 5000.1» («Хроматек», Россия) с пламенно-ионизационным детектором по ГОСТ 33834-2016 [19].
Все испытания проводили не менее 2-х раз. За результат измерений принимали среднее арифметическое полученных значений. Для подтверждения достоверности получен-
ных результатов проводили статистическии анализ с использованием математических методов в стандартном пакете программ Microsoft Office Excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На первом этапе работы определяли растворимость исследуемых образцов активаторов. Установлено (рисунок 1), что макси-
мальной растворимостью характеризовался экстракт, полученный из образца 2 (Истлайф Экстра). Водные экстракты из образцов 1 (Ак-тивит) и 5 (Вита Ферм Ультра ФЗ) имели растворимость ниже на 23 % и 11 %, соответственно. Минимальная растворимость отмечена в образце 3 (Биоклин), в котором по данным производителя, использован инертный вспомогательный материал.
Рисунок 1 - Оценка растворимости образцов активаторов брожения
Сравнительная оценка азотсодержащих соединений в водных экстрактах позволила выявить существенные отличия образцов по содержанию водорастворимого белка (таблица 1). Вместе с тем содержание аминного азота и аммиачного азота в исследованных образцах отличалось не столь существенно. Это свидетельствует о том, что в образцах 2 и 5 присутствует большое количество растворимых белков, в первую очередь альбуминов, и полипептидов, которые непосредственно дрожжевой клеткой не усваиваются.
Анализ состава и концентрации свободных аминокислот в водных экстрактах актива-
Таблица 1 - Характеристика водорастворимых форм азотсодержащего комплекса активаторов брожения
торов брожения показал, что их общее содержание в образце, полученном из активатора Шиха Спид Ферм выше, чем в других образцах в 1,6-2,2 раза (таблица 2). Причем массовая концентрация аспарагиновой кислоты выше в 2,9-19,7 раз, глутаминовой кислоты - в 3,2-6,1 раз, глутамина - в 4,213,3 раза и треонина - в 2,3-5,3 раза. Высокая концентрация хорошо усваиваемых дрожжами аминокислот в данном образце является, как известно, предпосылкой их более интенсивного размножения и повышения эффективности сбраживания.
Номер образца Наименование активатора 3 Массовая концентрация, мг/дм
растворимый белок аммиачный азот аминный азот
1 Активит 304 4 336
2 Истлайф Экстра 1 790 4 364
3 Биоклин 215 2 252
4 Шиха Спид Ферм 591 4 322
5 Вита Ферм Ультра ФЗ 1 092 2 238
Кроме азотистых соединений для развития дрожжей и повышения эффективности брожения большое значение имеет фосфор, который входит в состав важнейших компонентов клетки - нуклеопротеидов, нуклеиновых кислот, полифосфатов и фосфолипидов. Недостаток фосфора в среде может привести
к нарушению потребления и усвоения дрожжами углеводов и азота. Стимуляторами роста и развития дрожжей являются также витамины, микроэлементы, в т. ч. кальций и калий, обеспечивающие активизацию некоторых ферментов.
Таблица 2 - Оценка состава свободных аминокислот в водном экстракте, полученном из активаторов брожения
Наименование аминокислот 3 Массовая концентрация, мг/дм
Активит Истлайф Экстра Биоклин Шиха Спид Ферм Вита Ферм Ультра ФЗ
Аспарагиновая кислота 12,5 64,0 46,6 189,0 9,6
Глутаминовая кислота 85,9 62,6 118,9 381,0 65,2
Аспарагин 7,1 24,7 21,2 34,6 10,0
Гистидин 6,9 30,3 12,0 25,8 8,3
Серин 3,2 9,0 7,0 11,3 9,9
Глутамин 18,2 14,5 38,9 164,9 12,4
Аргинин 3,8 19,8 7,4 8,7 5,5
Глицин 14,9 32,8 23,7 71,0 23,9
Треонин 26,8 40,0 62,1 143,2 44,0
Аланин 47,1 85,4 157,1 131,7 33,3
Тирозин 19,8 93,4 4,7 12,3 50,7
Валин 10,3 40,9 23,7 49,2 15,4
Метионин 1,7 11,1 6,9 5,5 5,2
Триптофан 250,1 104,0 7,0 20,8 344,6
Изолейцин 48,5 64,6 17,5 25,2 58,1
Фенилаланин 29,2 52,5 16,2 23,5 35,9
Лейцин 21,0 74,1 27,3 37,5 24,9
Лизин 7,1 22,7 15,8 26,9 12,9
Всего 614,2 846,9 614,2 1362,2 769,8
Установлено, что в водных экстрактах исследованных активаторов в наибольшей концентрации присутствует фосфор (таблица 3).
Выявлены существенные различия в концентрации данного компонента в зависимости от образца.
Максимальным содержанием фосфора
характеризовались экстракты, полученные из препаратов Истлайф Экстра и Вита Ферм Ультра ФЗ. Для этих образцов величина отношения концентрации аминного азота к концентрации фосфора составляла 0,07 и 0,13, в остальных образцах эта величина варьировалась в пределах от 1,73 до 17,5.
Таблица 3 - Минеральный состав водных экстрактов, полученных из активаторов брожения
Наименование катиона 3 Массовая концентрация катионов в активаторах, мг/дм
Активит Истлайф Экстра Биоклин ШихаСпид Ферм Вита Ферм Ультра ФЗ
№ 0,1 0,2 0,1 0,3 0,4
NH4 33,0 37,2 0,2 0,1 33,9
К 2,1 1,6 0,1 4,1 1,8
Са 2,5 0,7 0,6 0,8 0,7
Мд 0,3 следы 0,2 следы следы
Р 199,4 2715,6 14,4 54,5 3328,2
В документации фирм-производителей активаторов рекомендуемая норма их внесения представляется по массе препарата на единицу объема сбраживаемого сырья.
В данной работе использована норма внесения активаторов по массовой концентрации аминного азота в водном экстракте из расчета 100 мг на 1 дм3 подготовленной кизиловой мезги.
Эффективность процесса сбраживания с использованием активаторов брожения контролировали по динамике выделения диок-
сида углерода. Процесс проводили в термостате при температуре 22 °С с использованием сухих активных дрожжей Red Fruit, внесенных из расчета 0,2 г/дм3. Установлено, что в образце с использованием активатора Ши-ха Спид Ферм процесс брожения проходил наиболее интенсивно и с выделением большего количества диоксида углерода (рисунок 2). Минимальное образование CO2 на протяжении всего эксперимента отмечалось для образца с использованием препарата Биоклин.
о
О
ГЕ (J
Q |_
(D
а
ш и
^
(D =i
, г г ■ 1 «г» — :-
jr J ■ ■ . ** .+■■ f, - - ' ■ff
/ - >
, г '
W ■ , ■
24
Актиеит
Шиха Спид Ферм
43 72 96
П р о д о лжите л ь но сть э ксп е ри ме нта. ч
120
144
Истпайф Экстра Вита Ферм УльтраФЗ
---Биокпин
Рисунок 2 - Влияние активатора брожения на динамику образования диоксида углерода
В образцах после шести суток сбраживания определяли объемную долю этилового спирта, а также проанализирован качественный и количественный состав летучих компо-
нентов. Установлено, что качественные показатели сброженной кизиловой мезги зависят от используемого активатора брожения (таблица 4).
Таблица 4 - Влияние активатора брожения на качественные показатели сброженной кизиловой мезги
Наименование показателя Активит Истлайф Экстра Биоклин Шиха Спид Ферм Вита Ферм Ультра ФЗ
Объемная доля этилового спирта, % 7,2 7,5 6,6 7,6 7,2
Массовая концентрация летучих компонентов, мг/дм3, в т. ч.: 859,6 958,5 976,4 1553,7 787,1
ацетальдегид 42,3 49,3 56,7 57,1 39,3
этилацетат 48,7 40,6 57,8 70,8 45,4
метанол 296,8 344,2 322,9 547,5 168,7
1-пропанол 11,9 12,9 11,7 20,4 16,3
изобутанол 107,5 119,9 118,2 218,5 119,0
изоамилол 331,1 367,6 379,5 598,5 371,9
фенилэтиловый спирт 8,3 14,0 16,1 25,4 17,5
Как видно из представленных данных, использование активаторов Шиха Спид Ферм и Истлайф Экстра приводит к повышению на-брода этилового спирта на 0,3-1,0 % об. Это может быть связано с более глубоким гидролизом твердой фракции мезги, переходом полисахаридов в растворимое состояние и их последующей утилизацией дрожжевой клеткой. Кроме того отмечено, что в зависимости от состава активатора изменяется концентрация и соотношение основных летучих компонентов сброженного сырья. Максимальное суммарное содержание летучих компонентов выявлено в образце, полученном с использованием препарата Шиха Спид Ферм, причем данный образец характеризовался также максимальным накоплением метанола, превышающем другие образцы в 1,6-3,2 раза. Учитывая то, что концентрация метанола во фруктовых дистиллятах строго регламентируется использование препарата Шиха Спид Ферм при сбраживании мезги из кизила не рекомендуется.
Минимальная концентрация метанола отмечалась в образце с использованием препарата Вита Ферм Ультра ФЗ, однако этот образец имел среднее значение объемной доли этилового спирта.
Известно, что при дистилляции метанол концентрируется в средней фракции, поэтому окончательный выбор активатора брожения, в основу которого будут положены данные по оценке экономической эффективности и безопасности продукта, можно будет сделать только после изучения стадии дистилляции.
В результате проведенных исследований показана перспективность применения активаторов брожения в технологии дистиллятов из кизила. Установлены значительные различия в растворимости, азотном и минеральном составе исследованных активаторов брожения. Показано, что использование при сбраживании кизиловой мезги активаторов с величиной отношения концентрации аминного азота к концентрации фосфора от 0,07 до 0,10 позволяет получить сброженное сусло с более высокой концентрацией этилового спирта и оптимальным содержанием основных летучих компонентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Способ получения вишневого дистиллята. Патент РФ № 2487928 / Оганесянц Л. А., Песчан-ская В. А., Алиева Г. А., Дубинина Е. В., опубл. 20.07.2013, Бюл. № 20.
2. Способ получения шелковичного дистиллята. Патент РФ № 2560266 / Оганесянц Л. А., Песчанская В. А., Дубинина Е. В., Лорян Г. В., опубл. 20.08.2015, Бюл. № 23.
3. Способ производства дистиллята из черной смородины. Патент РФ № 2609659 / Оганесянц Л. А., Песчанская В. А., Дубинина Е. В., опубл. 02.02.2017, Бюл. № 4.
4. Способ производства дистиллята из мандаринов. Патент РФ № 2698136 / Оганесянц Л. А., Песчанская В. А., Дубинина Е. В., опубл. 22.08.2019, Бюл. № 24.
5. Песчанская, В. А., Дубинина, Е. В., Крику-нова, Л. Н., Трофимченко, В. А. Оценка биохимического состава плодов кизила как сырья для производства дистиллятов // Пиво и напитки. - 2020. -№ 1. - С. 44-47. DOI: 10.24411 /2072-9650-202010009.
6. Qing-An Zhang, Xue-Hui Fan, Wu-Qi Zhao, Xiao-Yu Wang, Hong-Zhu Liu. Evolution of some phy-sicochemical properties in Cornus officinalis wine during fermentation and storage // European Food Research and Technology. - 2013. - Vol. 237. - № 5. -P. 711-719.
7. Использование плодово-ягодного дикорастущего сырья Дагестана в ликероводочном производстве / М-З. В. Вагабов [и др.] // Известия Вузов. Пищевая технология. - 2001. - № 2-3. -С. 14-16.
8. Касумова, А. А. Изучение химического состава дикорастущих плодов и ягод Гянджа-Газахской зоны // Хранение и переработка сель-хозсырья. - 2017. - № 10. - С. 34-36.
9. Сравнительная оценка способов сбраживания кизила при производстве дистиллятов / Е. В. Дубинина [и др.] // Пиво и напитки. - 2020. -№ 2. - С. 45-49. DOI: 10.24411/2072-9650-2020-10020.
10. Кукушкин, А. В., Раджабов, А. К., Мару-тян, А. Л. Влияние регуляторов роста и биологически активных препаратов нового поколения на аминокислоты в винах // Виноделие и виноградарство. - 2011. - № 5. - С. 22-23.
11. Пермякова, Л. В. Классификация стимуляторов жизненной активности дрожжей // Техника и технология пищевых производств. - 2016. -Т. 42. - № 3. - С. 46-55.
12. Полянина, Т. С., Степуро, М. В., Качае-ва, Н. Ю., Стрибижева, Л. И. Реактивирование активных сухих дрожжей, используемых в виноделии // Известия Вузов. Пищевая технология. - 2009. -№ 2-3. - С. 51-54.
13. Пищевая химия. Лабораторный практикум / А. П. Нечаев [и др.]. - СПб. : ГИОРД. - 2006. -304 с.
14. Инструкция по технологическому и микробиологическому контролю спиртового производства. - М. : Агропромиздат. - 1986. - 399 с.
15. Агабальянц, Г. Г. Химико-технологический контроль виноделия / Г. Г. Агабальянц. - М. : Пищевая промышленность. - 1968. - 612 с.
16. Методика измерения массовой концентрации свободных аминокислот в напитках алкогольных и безалкогольных методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Свидетельство об аттестации № 01.00225/205-48-12, 2012.
17. ГОСТ Р 57162-2016 Вода. Определение содержания элементов методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермиче-
ской атомизацией. - Введен 2018-01-01. - М. : Стандартинформ, 2016. - 18 с.
18. ГОСТ 32095-2013 Продукция алкогольная и сырье для ее производства. Метод определения объемной доли этилового спирта. - Введен 201407-01. - М. : Стандартинформ, 2014. - 5 с.
19. ГОСТ 33834-2016 Продукция винодельческая и сырье для ее производства. Газохромато-графический метод определения массовой концентрации летучих компонентов. - Введен 201801-01. - М. : Стандартинформ, 2016. - 11 с.
Оганесянц Лев Арсенович, д.т.н., профессор, академик РАН, директор ВНИИБиВП -филиала ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, e-mail: vniipbivp@fncps.ru, тел.: 8(499)246-67-69.
Крикунова Людмила Николаевна, д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник отдела технологии крепких напитков ВНИИ-
БиВП - филиала ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, e-mail: cognac320@mail.ru, тел.: 8(499)255-20-21.
Дубинина Елена Васильевна, к.т.н., ведущий научный сотрудник отдела технологии крепких напитков ВНИИБиВП - филиала ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, e-mail: elena-vd@yandex.ru, тел.: 8(499) 246-66-12.
Швец Светлана Дмитриевна, инженер-исследователь отдела технологии крепких напитков ВНИИБиВП - филиала ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, e-mail: lanaschvets@yandex.ru, тел.: 8(963)688-35-94.
