Влияние ферментных препаратов на технологические показатели зернового сусла и качество спирта Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

УДК 577.15:663.51

Влияние ферментных препаратов на технологические показатели зернового сусла и качество спирта

Е. М. Серба,

д-р биол. наук, доцент, профессор РАН;

И. М. Абрамова,

д-р техн. наук;

Л. В. Римарева,

д-р техн. наук, профессор, академик РАН;

М. Б. Оверченко,

канд. техн. наук;

Н.И. Игнатова; ЕА. Грунин,

канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии филиал ФИЦ питания и биотехнологии

Спиртовая промышленность, перерабатывающая зерновое сырье методами биотехнологии на спирт и кормовые продукты, — один из крупномасштабных потребителей ферментных препаратов микробного происхождения. Порядка 60% от общего объема ферментных препаратов, поступающих на российский рынок, используется при производстве спирта из зерна.

Применение ферментных препаратов способствует интенсификации технологических процессов, повышению выхода, улучшению качества готовой продукции, обеспечивает рациональное использование сырьевых ресурсов [1]. Зерновое сырье — это многокомпонентный субстрат, содержащий не только крахмал, сбраживаемый после осахаривания на спирт, но и другие важные высокомолекулярные полимеры, определяющие особенности сырья и условия его переработки. Современная технология пищевого спирта из зернового сырья основана на ферментативном катализе высокомолекулярных полисахаридов и белков, обеспечивающем спиртовые дрожжи ассимилируемыми углеводами (глюкоза, мальтоза) и азотистыми веществами (свободные аминокислоты, ди- и трипептиды) [2, 3].

В связи с большой конкуренцией на алкогольном рынке России получение высококачественного этилового спирта — важная задача отрасли. Проблема повышения качества спирта решается двумя путями: • технологическим (улучшение качества перерабатываемого сырья

и воды, рациональный выбор рас спиртовых дрожжей, сокращение длительности спиртового брожения и т. д.); • совершенствованием приемов брагоректификации (гидроселекция примесей в эпюрационной колонне, вывод промежуточных примесей до стадии ректификации, доочистка ректификованного спирта от метанола и сопутствующих ему примесей в колонне окончательной очистки) [2-5].

Цель данной работы — исследование влияния ферментных препаратов с различной субстратной специфичностью на метаболизм дрожжей, спиртовое брожение, выход и качество конечного продукта — этанола.

Зерновое сырье — основной фактор, влияющий на качество спирта. Наиболее распространенные культуры, перерабатываемые на спиртовых заводах России, — пшеница, в меньшей степени — рожь и кукуруза. В настоящее время к качеству зерна и получаемого на его основе зернового сусла предъявляют все более высокие требования, так как оно напрямую связано с качеством готовой продукции: ректификованного спирта и ликероводочных изделий с хорошими биохимическими и орга-нолептическими свойствами [6].

Работами ВНИИПБТ показано, что основное внимание для получения высококачественной продукции необходимо уделять чистоте зерна, и в первую очередь микробиологической, наличию так называемых «загрязнений» [7, 8]. В понятие «за-

50 ПИВО и НАПИТКИ 1•2018

грязнения» входят: вредные и токсичные семена; больные зерна, поврежденные тепловым воздействием или заплесневевшие, с высокой степенью обсеменения; зерна, пораженные вредителями, ржавчиной и спорыньей. Содержание примесей, присутствие которых может оказывать вредное воздействие, ухудшать органолептические и технологические характеристики зерна, не должно превышать 0,5%.

Основные санитарно-гигиенические требования, предъявляемые к качеству зерна, обусловлены необходимостью обеспечения стабильного технологического процесса брожения и получения спирта высокого качества с хорошими органолепти-ческими показателями. Качество используемого сырья должно, прежде всего, обеспечивать:

• исключение возможности проникновения в производство микроорганизмов — источников инфекции;

• отсутствие токсичных соединений, негативно влияющих на жизнедеятельность дрожжевых клеток и показатели готовой продукции — этанола [1, 4, 7].

Развитие посторонней микрофлоры, попадающей в производство вместе с сырьем, приводит к образованию не свойственных дрожжевой клетке летучих примесей. Ничтожно малое их количество, не идентифицируемое газовой хроматографией, уже может оказывать негативное воздействие на органолептические показатели конечного продукта.

Поэтому основной задачей производителей спирта, с целью устранения фактора риска, становится использование зернового сырья, отвечающего необходимым требованиям, строгое соблюдение условий его предварительной подготовки и дальнейшей переработки.

Следующий важный фактор, оказывающий влияние на качество зернового сусла и процесс спиртового брожения, — ферментные препараты и нормы их расхода.

Ферментные препараты и их влияние на метаболизм дрожжей и процесс спиртового брожения. Концепция технологической адекватности зернового сырья предусматривает его переработку по современной передовой технологии с применением высокоактивных ферментных препаратов, обеспечивающей максимальный выход спирта с минимальными технологическими и производственными потерями, получение спирта-ректификата с отличными органолептическими показателями и на его основе выпуск высококачественной ликероводоч-ной продукции [1, 5, 8].

Следует отметить, что в производстве спирта зерно принято оценивать с точки зрения содержания в нем главного сбраживаемого компонента — крахмала. При разработке новых технологий такой подход не может в полной мере охарактеризовать сырье, представляющее собой многокомпонентный субстрат. Как показали результаты последних исследований, эффективность технологических процессов генерации дрожжей и спиртового брожения зависит от качества перерабатываемого зернового сусла, его реологических свойств, азотистого и углеводного состава, которые определяются не только степенью конверсии крахмала, но также и глубиной гидролиза некрахмальных полисахаридов и белковых веществ зерна [1, 9-11].

Важная особенность спиртового производства заключается в его большой материалоемкости и тесной зависимости от сырьевой базы. Большая часть затрат в себе-

Показатели

Пшеничное сусло, обработанное комплексами ферментов амилолитического (АС+ГлС), ксиланазного (КС), протеолитического действия (БП - бактериальные протеазы, ГП - грибные протеазы)

(АС+ГлС +КС) АС+ГлС+КС+ БП АС+ГлС+КС+ГП

Производитель ФП

I II I II I II

Аминный азот, мг % 54 52,5 62,7 64,1 132,8 129,1

Растворимые сухие вещества (РСВ), % 20,6 19,1 19,7 20,2 21,7 21,5

Сбраживаемые углеводы (РВ), % 16,5 16,2 16,3 16,7 17,3 17,5

Свободные аминокислоты, мг/г 1,2 1,17 1,29 1,3 3,95 4,07

Динамическая вязкость сусла*, мПа . с 94,5 95,7 92 94 85 83

* Динамическая вязкость сусла, обработанного только амилолитическими ферментами (АС+ГлС) составляет 120-130 мПа-с.

стоимости спирта приходится на перерабатываемое зерновое сырье (60-75%), технологические затраты производства составляют не более 25-30%. Расход ферментных препаратов (ФП) на приготовление замеса и зернового сусла не значителен и составляет от 0,5 до 2,0 кг/т крахмала зерна, что составляет не более 0,025% к массе зернового сусла. При этом эффективность от применения ФП очень высокая.

Ферментные препараты, применяемые для переработки зернового сырья, по специфичности их действия на высокомолекулярные полимеры условно подразделяются на три основные группы [1-3]:

• амилолитического действия (для гидролиза крахмала);

• протеолитического действия (для гидролиза белковых полимеров);

• гемицеллюлолитического действия (для гидролиза некрахмальных полисахаридов).

В основном все ферментные препараты, предназначенные для спиртовой промышленности, проходят сертификацию во ВНИИПБТ. Они характеризуются по уровню ферментативной активности в соответствии с национальными стандартами [12-14]. В зависимости от целей применения ферментных препаратов в производстве спирта к ним предъявляют определенные требования в отношении субстратной специфичности и механизма действия входящих в них ферментов, оптимальных условий действия (рН и температура), степени очистки и ряда других факторов [15]. На основе этих данных и результатов бродильных проб разрабатываются нормы расхода ФП и Технологические инструкции (ТИ) по их применению. Существующие на спиртовом рынке России поставщики ферментных препаратов предлагают разные по коммерческим названиям и производителям, но фактически однотипные ферментные комплексы, состоящие из термостабильных а-амилаз, мезофильных а-амилаз, глюкоамилаз, гемицеллюлаз и про-теаз.

Результаты сравнительных исследований по влиянию ФП различных производителей на качество пшеничного сусла при гидромодуле 1:3 приведены в таблице. Для сбраживания зернового сусла применяли спиртовые дрожжи Saccharomyces

сerevisiaе расы 985-Т, обладающие осмофильными и термотолерантными свойствами [15]. ФП вносили в разработанных для них нормах расхода в соответствии с ТИ на ферментные препараты. Источники термостабильной а-амилазы обладали сходным уровнем термостабильности, их дозировали по активности из расчета 0,6 ед. АС/г крахмала; глюкоамилазы — 8,0 ед. ГлС/г; ксиланазы — 0,3 ед. КС/г и протеа-зы — 0,2 ед. ПС/г. При этом показано, что величина активности ФП в товарном продукте не влияет на показатели брожения, так как она учитывается при расчете норм их расхода в единицах активности на единицу сырья.

Испытанные ферменты, в зависимости от их субстратной специфичности и механизма действия, дали сходный уровень и спектр продуктов биокаталитической конверсии полимеров зерна, что определяет качество зернового сусла. Использование ФП различных производителей существенно не сказалось на качестве зернового сусла.

Различия в биохимических показателях состава зернового сусла были обусловлены только субстратной специфичностью ферментов, входящих в состав комплекса. Основное влияние оказывали протеолити-ческие ферменты, различающиеся в зависимости от происхождения составом протеаз. В бактериаль-

140 -г-120 100 80 60 40 20 0

I - АС+ГлС+КС

II - АС+ГлС+КС

I - АС+ГлС+КС+ГП

II - АС+ГлС+КС+ГП

Рис. 1. Генерация дрожжей при сбраживании пшеничного сусла, обработанного различными ферментативными комплексами

12 Т 10 -8 -6 -42 -

.......I.............I..............I............I

I - АС+ГлС+КС II - АС+ГлС+КС I - АС+ГлС+КС+ГП II - АС+ГлС+КС+ГП

| РВ, г/100см3 Концентрация спирта, %об.

Рис. 2. Сбраживание пшеничного сусла, обработанного различными ферментативными комплексами

0

Рис. 3. Динамика синтеза побочных метаболитов при сбраживании

пшеничного сусла, обработанного различными ферментными комплексами

ном ферментном препарате (БП) в основном присутствуют протеина-зы, катализирующие гидролиз белков до пептидов; грибной препарат (ГП) кроме протеиназ содержит пептидазы, которые гидролизуют белки до коротких пептидов и свободных аминокислот, ассимилируемых дрожжевой клеткой. Действие грибных протеаз позволило увеличить концентрацию аминного азота в сусле в 2,5 раза, а содержание свободных аминокислот — в 3 раза.

Результаты исследований указывают на важную роль в процессе конверсии полимеров зернового сырья ферментного комплекса, включающего а-амилазу, глюкоа-милазу, ксиланазу и грибные про-теазы. Воздействие их на субстрат повышало степень гидролиза крахмала, некрахмальных полисахаридов и белков, обогащало среду легкоусвояемыми аминокислотами и углеводами, снижало вязкость зернового сусла. Соблюдение условий и норм расхода ферментных препаратов способствовало, в конечном итоге, повышению скорости роста и физиологической активности дрожжевых клеток, интенсификации процесса брожения и повышению выхода спирта (рис. 1, 2). Концентрация дрожжевых клеток при их генерации на зерновом сусле, обогащенном легкоусвояемым азотистым питанием, повышалась на 47-53 %. Содержание остаточных углеводов в бражке составило 0,44-0,46 г/100 см3, концентрация спирта — 10,5-10,7%об.

Правильно подобранный состав ферментов и соблюдение норм их расхода, как следствие, обеспечивали и практически одинаковый по количеству и наименованиям состав летучих примесей этилового спирта в бражке (рис. 3). Полный комплекс ферментов, включающий карбогидразы и протеазы, способствовал снижению уровня образования побочных продуктов брожения в результате обеспечения сусла легкоусвояемым азотистым питанием. Увеличение продолжительности сроков брожения до 3 сут способствовало некоторому повышению уровня сопутствующих метаболитов в связи с автолитиче-скими процессами в дрожжевых клетках.

Таким образом, рациональный подбор оптимальных ферментатив-

52 ПИВО и НАПИТКИ 1•2018

ных систем целевого назначения, строгое соблюдение норм их расхода, технологических параметров, соответствующих оптимальным условиям их действия и сохранения каталитической активности, позволяет создать конкурентоспособную технологию производства спирта, обеспечивающую сокращение потерь сырья, повышение выхода спирта и улучшение качества готового продукта.

Анализ работы спиртовых заводов за последние годы показал, что применение ферментных препаратов микробного происхождения экономически оправдано: интенсифицируется процесс осахаривания крахмала, повышается степень использования сырья, стабилизируются технологические процессы, реализуются современные ресурсосберегающие технологии, основанные на гидродинамических и ферментативных процессах. Проведенные газохроматографические и органолептические анализы не выявили отрицательного влияния ферментных препаратов на качество спирта.

Эмпирическим путем установлено, что применение одинаковых композиций ферментных препаратов от разных производителей и разных поставщиков не оказывает существенного влияния на органо-лептические и физико-химические показатели готовой продукции (подтверждено дегустационными оценками ряда производителей).

Для получения нормативных показателей бражки при переработке концентрированного зернового сусла необходима полиферментная композиция, сочетающая амилоли-тические ферменты и гемицеллю-лазы, расщепляющие некрахмальные полисахариды, а также ферменты протеолитического действия для гидролиза белков до свободных аминокислот и низкомолекулярных пептидов.

Применение концентрированных ферментных препаратов с широкой субстратной специфичностью позволяет рационально использовать компоненты зернового сырья, способствует улучшению качества зернового сусла, обогащая его легкоусвояемым углеводным и азотистым питанием, что приводит к интенсификации процессов генерации дрожжей, повышению их

конкурентоспособности по отношению к посторонней микрофлоре. В этой связи регуляторная роль ферментов заключается не только в повышении эффективности спиртового производства, но и в снижении риска инфицирования процесса и ухудшения органолептических показателей готовой продукции.

Таким образом, эффективная биокаталитическая конверсия зернового сырья достигается при соблюдении требований ТИ по применению ФП и норм их расхода, что позволяет:

• повысить глубину переработки сырья и биохимические показатели зернового сусла;

• улучшить реологические свойства сусла, снизить его вязкость;

• интенсифицировать процессы генерации дрожжей и спиртового брожения;

• снизить образование летучих веществ, сопутствующих синтезу этанола;

• повысить выход и качество конечного продукта — этилового спирта.

Исследования проведены за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы Фундаментальных научных исследований государственных академий наук (тема № 0529-2018-0112).

ЛИТЕРАТУРА

1. Римарева, Л.В. Теоретические и практические основы ферментативного катализа полимеров зернового сырья в спиртовом производстве/ Л. В. Рима-рева, М. Б. Оверченко, Н. И. Игнатова, И. М. Абрамова // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2008. — № 3. — С. 4-9.

2. Поляков, В. А. Ресурсосберегающая технология спирта / В. А. Поляков, Л. В. Ри-марева // Теоретические основы пищевых технологий / отв. ред. В. А. Панфилов. — М.: Колосс, 2009. — Кн. 2. — С. 1280-1305.

3. Серба, Е. М. Биотехнологические основы комплексной переработки зернового сырья и вторичных биоресурсов в этанол и белково-аминокислотные добавки: Монография / Е. М. Серба, В. А. Поляков. — М.: ВНИИПБТ, 2015. — 133 с.

4. Туршатов, М. В. Технологические основы производства спирта с повышенными органолептическими показателями / М. В. Туршатов, В. А. Поляков, В. П. Ле-

денев // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2008. — № 2. — С. 29-31.

5. Абрамова, И.М. Особенности переработки пшеничного сырья, обеспечивающие производство спирта с высокими показателями качества / И. М. Абрамова // Производство спирта и ликероводоч-ных изделий. — 2012. — № 1. — С. 4-6.

6. Абрамова, И. М. Совершенствование системы контроля безопасности и качества алкогольной продукции / И. М. Абрамова, В. Б. Савельева,

B. А. Поляков, Н. М. Сурин // Пищевая промышленность. — 2010. — № 12. —

C. 53-55.

7. Абрамова, И. М. Сборник исходных требований к пищевой и технологической адекватности зернового сырья, обеспечивающих высокие показатели качества и эффективности спиртового производства и ликероводочных изделий / И. М. Абрамова, Г. Т. Корчагина,

B. С. Чередниченко [и др.]. — М.: ВНИИПБТ, 2010. — 48 с.

8. Туршатов, М.В. Современные возможности полной переработки зерна на спирт и белково-углеводные продукты / М. В. Туршатов, В. А. Поляков, В. П. Леденев [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2012. — № 2. — С. 18-19.

9. Туршатов, М. В. Современная технология производства спирта / М. В. Туршатов, В. П. Леденев, В. В. Кононенко [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2011. — № 1. —

C. 28-29.

10. Римарева, Л.В. Влияние ферментативных комплексов на метаболизм спиртовых дрожжей и накопление ионов неорганической природы в концентрированном сусле /Л. В. Римарева, М. Б. Оверченко, Н. И. Игнатова [и др.] // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. — 2016. — № 3. — С. 28-31.

11.Тананайко, Т.М. Результаты экспериментальных исследований по интенсификации производства спирта путем направленного использования эндогенных кислых протеаз /Т. М. Тананайко, А. А. Пушкарь // Пищевая промышленность: наука и технологии. — 2009. — №3 (5). — С. 66-71.

12.ГОСТ Р 53974-2010. Ферментные препараты для пищевой промышленности. Методы определения про-теолитической активности. — Введ. 2012-01-01. — М.: Стандартинформ, 2011. — 10 с.

13.ГОСТ Р 54330-2011. Ферментные препараты для пищевой промышленности.

Г

Методы определения амилолитической активности. — Введ. 2013-01-01. — М.: Стандартинформ, 2012. — 14 с. 14. ГОСТ Р 55302-2012. Ферментные препараты для пищевой промышленно-

сти. Методы определения ксиланазной активности — Введ. 2014-01-01. — М.: Стандартинформ, 2013. — 11 с.

15. Серба, Е.М. Биотехнологические основы микробной конверсии концентри-

рованного зернового сусла в этанол: Монография / Е. М. Серба, М. Б. Овер-ченко, Л. В. Римарева. - М.: ВНИИПБТ, БИБЛИО-ГЛОБУС, 2017. - 120 с. DOI 10.18334/9785950050169. &

Влияние ферментных препаратов на технологические показатели зернового сусла и качество спирта

Ключевые слова

дрожжи; зерновое сусло; зерновое сырье; метаболиты; спирт; спиртовое брожение; ферментные препараты.

Реферат

Результаты многолетних исследований и анализ работы спиртовых заводов показывают, что применение концентрированных ферментных препаратов (ФП) способствует интенсификации технологических процессов и повышению выхода спирта, обеспечивает рациональное использование сырьевых ресурсов. В последнее время особое внимание уделяют вопросам получения высококачественного этилового спирта. Цель данной работы заключалась в установлении влияния ферментных препаратов с различной субстратной специфичностью на качество зернового сусла, метаболизм дрожжей, спиртовое брожение, образование побочных летучих веществ, выход спирта и его качество. Работа была выполнена во ВНИИ пищевой биотехнологии - филиале ФИЦ питания и биотехнологии. Отмечено, что качество зернового сырья, его микробиологическое состояние - главный фактор, который может оказывать негативное воздействие на органолептические показатели конечного продукта. Приведены результаты сравнительных исследований влияния ферментных препаратов от различных производителей на качество пшеничного сусла. Ферменты вносили в соответствии с установленными нормами их расхода: термостабильной а-амилазы - 0,6 ед. АС; глюкоа-милазы - 8,0 ед. ГлС; ксиланазы - 0,3 ед. КС и протеазы - 0,2 ед. ПС на 1 г крахмала. Показано, что в зависимости от их субстратной специфичности и механизма действия получен сходный уровень продуктов биоконверсии полимеров зерна. Применение ферментных препаратов различных производителей не сказалось на качестве зернового сусла. Действие грибных протеаз позволило увеличить концентрацию амин-ного азота в сусле в 2,5 раза, а содержание свободных аминокислот - в 3 раза. Состав ферментов и соблюдение норм их расхода обеспечивали практически одинаковый уровень образования летучих примесей и этилового спирта в бражке. Проведенные исследования подтвердили высокую эффективность комплекса ферментов с широкой субстратной специфичностью, применение которых позволяет рационально использовать компоненты зернового сырья, улучшить качества зернового сусла, обогащая его легкоусвояемым углеводным и азотистым питанием, что приводит к интенсификации процессов генерации дрожжей, снижению риска инфицирования процесса и ухудшения органолептических показателей готовой продукции.

Авторы

Серба Елена Михайловна, д-р биол. наук, доцент, профессор РАН;

Абрамова Ирина Михайловна, д-р техн. наук;

Римарева Любовь Вячеславовна,

д-р техн. наук, профессор, академик РАН;

Оверченко Марина Борисовна, канд. техн. наук;

Игнатова Надежда Иосифовна;

Грунин Евгений Александрович, канд. техн. наук

ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания и биотехнологии,

111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, д. 4Б,

serbae@mail.ru, i-abramova@mail.ru, lrimareva@mail.ru,

mb_over@mail.ru, ignatova59@list.ru

Influence of Enzymatic Preparations on Technological Parameters of Grain Wort and Quality of Alcohol

Key words

yeast; grain wort; grain raw materials; metabolites; alcohol; alcoholic fermentation; enzyme preparations.

Abstract

Results of long-term researches and the analysis of work of distilleries show that application of the concentrated enzyme preparations promotes intensification of technological processes and increase of alcohol yield, provides rational use of raw materials. Recently, special attention has been given to the issues of obtaining high-quality ethyl alcohol. The purpose of this work was to establish the effect of enzyme preparations with different substrate specificities on the quality of grain wort, the metabolism of yeast, alcohol fermentation, the formation of by-products volatile substances, the yield of alcohol and its quality. It is noted that the quality of grain raw materials, its microbiological state is the main factor that can have a negative effect on the organoleptic characteristics of the final product. The results of comparative studies of the effect of enzyme preparations from various producers on the quality of wheat wort are presented. Enzymes were used in accordance with the established rates of their consumption: thermostable a-amylase - 0.6 units AA/g; glucoamylase - 8.0 units of GlA/g; xylanase - 0.3 units of CA and protease - 0.2 unit PA for 1 g of starch. It was shown that, depending on their substrate specificity and mechanism of action, a similar level of bioconversion products of grain polymers was obtained. The use of enzyme preparations from different manufacturers did not affect the quality of grain wort. The effect of fungal proteases allowed to increase the concentration of amine nitrogen in wort by 2.5 times, and the content of free amino acids - 3 times. The composition of enzymes and compliance with their consumption rates provided almost the same level of formation of volatile impurities and ethyl alcohol in the marry. The studies have confirmed the high efficiency of the enzyme complex with broad substrate specificity. The use of which allows rational use of components of grain raw materials, improve the quality of grain wort, enriching it with easily digestible carbohydrate and nitrogenous nutrition, which leads to intensification of yeast generation processes, reducing the risk of infection of the process and deterioration of organoleptic parameters finished products.

Authors

Serba Elena Mikhailovna, Doctor of Biological Science, Associated Professor, Professor of RAS;

Abramova Irina Mikhailovna, Doctor of Technical Science; Rimareva Lubov Vyacheslavovna, Doctor of Technical Science, Professor, Academician of RAS; Overchenko Marina Borisovna, Candidate of Technical Science; Ignatova Nadezhda losifovna;

Grunin EvgeniyAleksandrovich, Candidate of Technical Science Russian Research Institute of Food Biotechnology -branch of Federal Research Center of Food and Biotechnology, 4b Samokatnaya Str., Moscow, 111033, Russia, serbae@mail.ru, i-abramova@mail.ru, lrimareva@mail.ru, mb_over@mail.ru, ignatova59@list.ru

54 ПИВО и НАПИТКИ 1•2018