Накопление побочных продуктов в процессе спиртового брожения

Современные технологии производства спирта из пищевого сырья направлены на то, чтобы получить максимально возможный выход готового продукта с минимальным содержанием примесей.

В обычных условиях спиртового брожения из гексоз под действием ферментов, наряду с этиловым спиртом, образуются побочные продукты: глицерин, кислоты, альдегиды, эфиры, высшие спирты и другие соединения.

Биосинтез побочных продуктов определяется регуляторными функциями дрожжевой клетки. Образование побочных продуктов зависит от состава питательной среды, рН, уровня азота и углерода в среде, условий культивирования дрожжей, присутствия посторонней микрофлоры.

Общее содержание примесей, образующихся в процессе брожения, не более 0,6% от количества этанола, но они оказывают влияние на вкус и запах спирта, а также уменьшают его выход [1,2].

Изучено влияние рН сусла на накопление побочных продуктов брожения в бражке.

Водородные ионы изменяют электрический заряд коллоидов плазменной оболочки клеток и, в зависимости от концентрации, могут увеличивать или уменьшать ее проницаемость © А.Н. Яковлев, С.Ф. Яковлева, Т.С. Ковалева, А.А. Пешков, 2013

для отдельных веществ и ионов. От величины рН зависят скорость поступления питательных веществ в клетку, активность ферментов, образование витаминов. При изменении рН среды изменяется и направление самого брожения.

Приготовленное пшеничное сусло подкисляли серной кислотой до рН: 4,0;4,5; 5,0 и контроль 6,0. Дрожжи вносили в количестве 10 % от объема сусла. Сбраживание сусла проводили дрожжами Saccharomyces cerevisiae рaсы ХII в течение трех суток при темперaтуре 28-30 ºС. По окончaʜии срокa брожения в полученной брaжке определяли содержaʜие гли-цериʜa йодометрическим методом и летучих примесей гaзохромaтогрaфическим методом.

Ha рисунке 1 покaзaʜo ʙлияние рH нa ʜaкопление глицериʜa ʙ зрелой брaжке. Из рисункa 1 видно, что с увеличением рН со-держaʜие глицериʜa yʙeличиʙaeтся и дости-гaeт мaксимумa в контроле при рН 6,0. Этa зaкономерность объясняется тем, что рeaк-ция «щелочного брожения», ведущaя к обрa-зoʙaʜию глицериʜa, призʜaʜa той побочной рeaкцией, торможение которой обусловлиʙa-ет повышение содержaʜия спиртa. Подкисляя сусло, воздейстʙoʙaли ʜa рeaкцию «щелочного брожения». Это окaзaло тормозящие действиe ʜa рeaкцию обрaзoʙaʜия глицериʜa в силу того, что исследуемaя рeaкция подчиняется зaкону действующих мaсс, т. е. из-зa устaʜoʙления ионного рaвновeсия.

Рисунок 1 - Влияние рН сусла на накопление глицерина в зрелой бражке

Возможно искусственное подавление реакции «щелочного брожения» путем воздействия на нее продуктом реакции, т. е. уксусной кислотой, в расчете на то, что избыток ионов уксусной кислоты в среде окажет более мощное тормозящее действие на реакцию образования глицерина. [4] При внесении уксусной кислоты в сусло содержание глицерина в зрелой бражке снижается на 0,05 г/100 см3 и, тем самым, позволяет увеличить выход спирта.

При изучении динамики накопления глицерина (рисунок 1) было установлено, что интенсивное образование глицерина наблюдается в первый период брожения - возбражива-ние, когда наблюдается интенсивное размножение дрожжей. В дальнейшем, в процессе брожения образования глицерина практически не наблюдается. Это происходит в результате того, что образуется ацетальдегид, который оказывает тормозящие действие на реакцию образования глицерина.

По мере снижения рН сусла до 4,5 содержание альдегидов уменьшается на 10-15 % (рисунок 2), высших спиртов - на 8-10 % (рисунок 3), глицерина - на 15-20 % (рисунок 1), а также наблюдается небольшое снижение содержания кислот и эфиров.

1-ацетальдегид. 2-этилацетат

Рисунок 2 - Накопление ацетальдегида и этилацетата в зрелой бражке в зависимости от рН: 1 - 4,0; 2 - 4,5; 3 - 5,0; 4 - 5,5; 5 - 6,0.

Альдегиды являются промежуточными продуктами спиртового брожения, кроме того, образование альдегидов возможно в результате окисления спиртов кислородом воздуха, а также некоторых вторичных реакций. Образование альдегидов в зрелой бражке наблюдается на протяжении всего процесса брожения, только к окончанию процесса брожения наблюдается некоторое снижение содержание альдегидов, что, возможно, связано с взаимодействием их со спиртами [1,2].

Эфиры являются продуктами химического взаимодействия спиртов и кислот, содержащихся в бродящей массе, а также являются продуктами жизнедеятельности посторонней микрофлоры. Они накапливаются в бражке на протяжении всего процесса брожения [1,2].

Рисунок 3 - Накопление пропанола, изобутанола и изоамилола в зрелой бражке в зависимости от рН: 1 - 4,0; 2 - 4,5; 3 - 5,0; 4 - 5,5; 5 - 6,0.

Высшие спирты являются побочными продуктами спиртового брожения Они образуются в анаэробных условиях вторично из кетокислот, возникающих в результате переами-нирования аминокислот, путем декарбоксилирования и последующего восстановления в цикле спиртового брожения углеводов. Образование спиртов связано с накоплением биомассы дрожжей, которое наблюдается в начале процесса брожения в возбраживании, в дальнейшем, в процессе брожения накопления высших спиртов практически не наблюдается [3].

Таблица 1

Показатели зрелой бражки

Показатели	рН
	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0
Объемная доля спирта, % об.	8,5	9,2	9,0	8,5	8,2
Содержание растворимых несброженных углеводов, г/100см3	0,55	0,25	0,35	0,45	0,6
Содержание нерастворен-ного крахмала, %	0,1	0,08	0,08	0,08	0,1
Нарастание титруемой кислотности, °	0,1	0,1	0,12	0,15	0,2
Выход спирта, дал/т условного крахмала	66,0	66,4	66,2	66,0	65,8
Продолжительность брожения, ч	72	66	68	70	72

Из таблицы 1 видно, что максимальный выход спирта наблюдается при подкислении сусла до рН 4,5 и на 0,6 дал выше, чем в контроле при рН сусла 6,0. Это связано с уменьшением образования побочных продуктов брожения, уменьшением содержания несбро-женных растворимых углеводов, снижением накопления биомассы дрожжей.

Таким образом, подкисляя сусло до рН 4,5, создаем более благоприятные условия для жизнедеятельности дрожжей, что способствует сокращению продолжительности брожения, увеличению выхода спирта, улучшению показателей бражки, снижению вероятности инфицирования бражки посторонней микрофлорой, уменьшению накопления примесей в зрелой бражке, что в дальнейшем позволяет получить готовую продукцию высокого качества.