Исследование процесса сбраживания сусла в производстве крепких алкогольных напитков с применением различных микроорганизмов

Стадия брожения в производстве виски аналогична применяемой в производстве других спиртных напитков, причем в большинстве нормативных актов допускается лишь использование дрожжей Saccaromyces cerevisiae. Для обеспечения требуемого состава и вкусоароматических характеристик спиртов-виски для сбраживания сусла использовали спиртовые и пивоваренные дрожжи [1].

Основная цель – исследование процесса сбраживания комбинированного зернового сусла с применением пивоваренных и спиртовых дрожжей, анализ физико-химических показателей образцов бражки.

Для исследования процесса сбраживания применяли образцы сусла 6 (приготовленного настойным способом из смеси ржаного и ячменного солодов), 7 (приготовленного модифицированным способом совместного затирания с применением микробных ферментных препаратов из смеси ржаного, ячменного солодов и кукурузы), выбранные на основе предварительных экспериментальных исследований.

Для сбраживания комбинированного зернового сусла использовали сухие пивоваренные дрожжи рода Saccharomyces вида carlsbergensis, расы 143 и спиртовые дрожжи рода Saccharomyces , вида cerevisiae (Fermiol) , расы DY 7221.

Сбраживание образцов сусла проводили при температуре 29 – 30 оС при использовании

Коростелев А.В., 2012

и спиртовых, и пивоваренных дрожжей, что представляется возможным, так как целью исследования является получение не пива, а спирта-виски.

В процессе брожения комбинированного зернового сусла происходят различные микробиологические и биохимические процессы. Повышается кислотность, изменяются белковый состав и содержание углеводов, снижается активность ферментов за счет длительного нахождения в кислой среде [2, 4].

Качественные показатели спирта-виски в значительной степени зависят от продолжительности брожения, о которой можно судить по скорости выделения диоксида углерода и накоплению биомассы. Качество спирта-виски также зависит от рода микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Нами было проведено исследование и определена рациональная продолжительность брожения с применением пивоваренных и спиртовых дрожжей для образцов сусла, полученных различными способами.

Показано (рис. 1), что в случае сбраживания комбинированного сусла, полученного модифицированным способом, спиртовыми дрожжами при продолжительности 46 – 48 ч наблюдали максимальный объем выделенного диоксида углерода, а в случае сбраживания сусла пивоваренными дрожжами максимальный объем диоксида углерода фиксировали при продолжительности 55 – 57 ч.

Рис. 1. Интенсивность выделения углекислого газа при сбраживании сусла, полученного модифицированным способом совместного затирания с применением ферментных препаратов из смеси ржаного, ячменного солода и кукурузы

Затем объем выделенного диоксида углерода во всех опытах снижался до 0,011 – 0,012 см3/мин.

В случае сбраживания сусла, полученного настойным способом, спиртовыми дрожжами при продолжительности 54 – 56 ч объем диоксида углерода максимален, как и в случае сбраживания сусла пивоваренными дрожжами, затем объем диоксида углерода во всех опытах снижался до 0,013 см3/мин (рис. 2).

Рис. 2. Интенсивность выделения диоксида углерода при сбраживании сусла, полученного настойным способом из ячменного и ржаного солода

Проводили интегрирование функций (рис. 1-2). Полученная интегральная функция характеризует глубину или степень сбраживания сусла к определенному моменту времени [3].

Интегрировали dF / dt – скорость изменения объема диоксида углерода F ( t ) по времени и восстанавливали исходную величину

F(t). Были получены экспериментальные данные об интенсивности выделения диоксида углерода в 11 моментов времени за 72 ч сбраживания (рис. 1–2). Со степенью сбраживания коррелирует объем выделенного диоксида углерода, вычисляемый как интеграл во времени от интенсивности выделения данного вещества. В связи с непостоянными промежутками времени между замерами интенсивности значения данного объема рассчитывали по формуле ti

V = 0; V i = J C ( t ) dt = V - + - ( t i - t i - 1 )( C i + C i - 1 ) , 0 2

где i изменяется от 2 до 11. Указанная формула известна как формула трапеций для численного интегрирования с переменным шагом [5]. Объём выделенного диоксида углерода СО 2 (см³) в различные промежутки времени и результаты расчетов приведены в табл. 1 (рис. 3 – 5).

Т а б л и ц а 1

Динамика выделения диоксида углерода для различных видов дрожжей и сусла, полученного настойным и модифицированным способом

Продолжи житель-ность сбра-жива-ния, ч	Объём выделенного диоксида углерода, см3. Интегральная функция
	Сусло, полученное модифицированным способом		Сусло, полученное настойным способом
	Спиртовые дрожжи	Пивоваренные дрожжи	Спиртовые дрож жи	Пивоваренные дрожжи
0	0	0	0	0
8	4,8	6,0	4,8	6,0
16	19,2	22,8	19,2	22,8
24	43,2	52,3	43,2	52,3
32	81,6	91,4	81,6	92,9
40	136,8	132,2	136,8	141,1
48	202,8	193,4	201,4	196,3
56	267,6	253,0	270,2	255,8
64	312,0	300,5	320,2	313,7
70	325,5	315,4	333,7	336,4
72	327,3	317,0	335,5	337,9

Как следует из табл. 1, способ приготовления сусла (настойный либо модифицированный) оказывает влияние на объем выделенного СО ₂ лишь после 32 ч сбраживания и в незначительных масштабах, а именно объем выделенного СО 2 при использовании сусла, полученного настойным способом, больше, чем при использовании сусла, полученного модифицированным способом на 6,6 % при применении для сбраживания пивоваренных дрожжей; на 2,5 % – спиртовых дрожжей.

Согласно данным табл. 1 после 72 ч сбраживания виды применяемых дрожжей и объем СО 2 при сбраживании сусла, приготовленного различными способами, можно расположить в следующем порядке (по убыванию объема выделенного СО 2 ): настойный способ приготовления сусла (пивоваренные дрожжи); настойный способ приготовления сусла (спиртовые дрожжи); модифицированный способ приготовления сусла (спиртовые дрожжи); модифицированный способ приготовления сусла (пивоваренные дрожжи).

Различие между крайними пунктами (337,9

списка составляет , - 1 . 100 = 6 6 %

( 317,0 )

Рис. 3. Динамика выделения оксида углерода для сусла, полученного модифицированным способом: СМ – спиртовые дрожжи, модифицированный способ; ПМ – пивоваренные дрожжи, модифицированный способ

Рис. 4. Динамика выделения оксида углерода для сусла, полученного настойным способом: СН – спиртовые дрожжи, настойный способ; ПН – пивоваренные дрожжи, настойный способ

Рис. 5. Зависимость объёма выделенного диоксида углерода (см3) от продолжительности сбраживания (ч) для различных видов дрожжей и сусла, приготовленного различными способами: СМ – спиртовые дрожжи, модифицированный способ; ПМ – пивоваренные дрожжи, модифицированный способ, СН – спиртовые дрожжи, настойный способ, ПН – пивоваренные дрожжи, настойный способ

В результате анализа данных, представленных на рис. 5, можно установить, что значения интегральных функций выделения диоксида углерода (скорость сбраживания) при применении сусла, приготовленного на-стойным способом спиртовыми и пивоваренными дрожжами (рис. 3), и сусла, приготовленного модифицированным способом спиртовыми и пивоваренными дрожжами (рис. 4), отличаются незначительно. В связи с этим в дальнейших исследованиях анализировали объемную долю этанола в образцах бражки, величина которой является определяющим фактором для обеспечения нормативного выхода спирта-виски (табл. 2) .

Концентрация биомассы в начале процесса брожения и при его окончании находилась в пределах 80-100 млн клеток/см3.

Максимальное накопление биомассы спиртовых и пивоваренных дрожжей в случае сбраживания сусла, полученного настойным способом (250 и 210 млн клеток /см3), наблюдали на 54 – 56 ч брожения, что коррелирует с экспериментальными данными по наибольшему объему диоксида углерода.

Максимальное накопление биомассы спиртовых дрожжей при сбраживании сусла, полученного модифицированным способом с применением ферментных препаратов (250 млн клеток /см3), наблюдали на 48 ч брожения, пивоваренных дрожжей (203 млн клеток /см3) – на 56 ч брожения.

На 48 ч брожения в сусле находится достаточно большое количество сбраживаемых веществ, активность микроорганизмов также высока за счет того, что они уже приспособились к среде и начали активно размножаться. В дальнейшем за счет активного потребления субстрата микроорганизмы оседают на дно, их содержание в бродящем сусле понижается, однако остаётся на достаточно высоком уровне. Снижение скорости выделения диоксида углерода обусловлено снижением концентрации субстрата в сусле, т.е. жизнедеятельность микроорганизмов продолжается, но менее активно. Одним из условий успешного проведения процесса брожения является значительная концентрация биомассы. Этим условиям в полной мере отвечает продолжительность брожения 68 – 72 ч при применении спиртовых дрожжей.

От содержания сахаров в сусле до брожения зависит предельно возможное накопление этанола при брожении. Исходное содержание сухих веществ составляло 18,2 и 18,8 %; редуцирующих веществ – 13,9 и 14,5 г на 100 см3 сусла (для образцов, приготовленных модифицированным и настойным способом).

Исследовали накопление этанола в образцах бражки и получили следующие результаты. Процесс синтеза этанола во времени имеет явную лаг-фазу, в ходе которой накопление спирта во всех случаях незначительно. Затем синтез этанола становится более интенсивным.

Наиболее интенсивное образование этанола спиртовыми дрожжами происходило до 46 – 48 ч брожения, пивоваренными дрожжами – до 55 – 57 ч. Максимальное содержание этанола наблюдали в образцах сброженного сусла, приготовленного по модифицированному способу с применением ферментных препаратов и спиртовых дрожжей – 9,4 % об. При применении пивоваренных дрожжей объемная доля этанола достигла значения 8,9 % об.

Максимальное содержание этанола наблюдали в образцах сброженного сусла, приготовленных настойным способом при применении спиртовых дрожжей – 9,1 %. Это значение на 3,2 % ниже, чем в сусле с использованием несоложеного сырья. При применении пивоваренных дрожжей содержание этанола в бражке достигло значения 8,7 % об.

Видимо, наибольшее накопление этанола в образцах сброженного спиртовыми дрожжами сусла из ячменного, ржаного солода и кукурузы, приготовленного модифицированным способом с применением ферментных препаратов, связано с повышенным содержанием сухих веществ, в том числе редуцирующих, в исходном сусле, с оптимальной температурой для жизнедеятельности спиртовых дрожжей Fermiol , расы DY 7221.

При осахаривании с применением микробных ферментных препаратов скорость гидролиза конечных декстринов сусла при температуре 29 – 30 оС выше скорости их гидролиза ферментами солодов (настойный способ приготовления сусла). В результате сбраживание при использовании ферментных препаратов происходит более эффективно, скорость гидролиза конечных декстринов до сбраживаемых сахаров здесь является лимитирующим фактором, от которого зависит скорость сбраживания сусла.

Поскольку содержание объемной доли этанола в бражке является определяющим фактором для обеспечения нормативного выхода спирта-виски, в дальнейших экспериментах применяли дрожжи спиртовые Sacch. cere-visiae, Fermiol , раса DY 7221.

Физико-химические показатели зрелой бражки, приготовленной из зерновых композиций (образцы 6, 7) с использованием спиртовых дрожжей представлены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Показатели зрелой бражки из различного зернового сырья

№ обр.	Наименование показателей
	Видим. масс. доля сухих ве-ществ,%	Кисл. град.	Содерж. несброжен. углеводов, г/100 см³	Объемная доля спирта, %
6	0,3	0,32	0,24	9,10
7	0,2	0,40	0,43	9,40

Из табл. 2 видно, что объемная доля этанола, величина отброда, кислотности, содержание несброженных углеводов в образцах бражки соответствуют нормативным показателям для спиртового производства [1 ,2].

Для приготовления сусла в производстве напитков «Виски» является целесообразным использование модифицированного способа с применением ферментных препаратов из ячменного, ржаного солода и несоложеного сырья – кукурузы, сбраживание осахаренного сусла в течение 68 – 72 ч дрожжами спирто- выми Sacch. cerevisiae, Fermiol, расы DY 7221 при температуре 30 оС, оптимальной для их жизнедеятельности.