Производство алкогольных напитков

Производство алкогольных напитков

Производство спирта

Производство перегнанного спирта моложе, чем неперегнанных спиртных напитков, но и его корни теряются в веках. Для получения напитка, содержащего 40% (по объему) спирта, нужна перегонка. Ее и сегодня осуществляют в перегонных аппаратах, представляющих собой модификации устройства, предложенного в 1830 г. Коффи и носящего его имя. Различия в сортах спиртовых продуктов зависят в основном от природы сырья, а также от того, подвергался ли конечный продукт выдержке.

В спиртовом производстве используются пригодные для этой цели штаммы Saccharomyces. Крупные спиртовые заводы всегда ведут свою собственную культуру дрожжей в специальных средах. Выбор штамма дрожжей при производстве спирта определяется их продуктивностью в особых условиях бродящего сусла. Брожение должно идти активно с образованием спирта в количестве, близком к теоретическому пределу.

Хотя в качестве сырья можно использовать разнообразные продукты, некоторые сорта спирта обычно производят из вполне определенных его типов. Так, коньяк, получаемый при перегонке вина, делают из винограда, а шотландский виски — из ячменного солода. Другие напитки — американский виски, джин и водку, которые обычно делают из зерна (например, кукурузы), можно производить и на основе другого подходящего сырья. Ром обычно получают из мелассы сахарного тростника или свеклы.

Когда сырьем служит зерно (например, пшеницы или кукурузы), до сбраживания необходимо гидролизовать крахмал до сахаров. Так, виски — это продукт перегонки пива без хмеля. Первые стадии процесса производства виски такие же, что и при приготовлении сусла в пивоварении. Однако если применяют кукурузу или другие зерновые, то до приготовления сусла непосредственно в бродильных чанах проводят обработку крахмала в зерне ферментами солода.

Если для производства спирта используют мелассу, такие предварительные операции не нужны, поскольку углеводы в ней содержатся в форме, пригодной для сбраживания. Тем не менее сырье все же приходится подготавливать к процессу: осветлять, подогревать и разводить водой, чтобы получить концентрацию сахара, оптимальную для брожения.

После подготовки сырья добавляют культуру подходящих дрожжей и ведут сбраживание. В конце его, когда концентрация спирта достигнет 9—11% (по объему), отделяют дрожжи путем отстаивания. Остатки их перед перегонкой можно удалить центрифугированием. Применяются два способа: кубовый и непрерывной перегонки. После этого продукт либо отправляют на созревание (например, виски), либо проводят завершающие операции и разливают по бутылкам (джин, водка). Для продажи спиртопродукты обычно разводят до стандартной концентрации в них спирта (40% по объему).

При производстве отдельных разновидностей спиртопродуктов очень важно использовать правильный штамм дрожжей. При выработке рома для производства сортов с сильным запахом обычно применяют штаммы дрожжей Schizosaccharomyces, а с менее интенсивным — быстро работающие Saccharomyces. Отметим, что процесс образования спирта ускоряется бактериями Clostridium saccharobutyricum. Самый лучший ром получают в том случае, когда соотношение бактерий к дрожжам составляет 1:5. Культуру бактерий вносят, когда концентрация этанола достигает 3,5—4,5%, а сахара —6% (вес/объем).

Штаммы дрожжей, используемые в спиртовой промышленности, должны сохранять жизнеспособность вплоть до концентрации этанола 12—15% (по объему). Кроме того, если в качестве сырья используется зерно, дрожжи должны обладать способностью гидролизовать низкие олигосахариды до глюкозы. Это необходимо для полного превращения крахмала в этиловый спирт и углекислый газ.

Перегонка — дорогостоящий этап процесса, так как он энергоемок. Использование дрожжей, выдерживающих повышенные концентрации спирта, уменьшает энергозатраты на этом этапе, поскольку для достижения одной и той же концентрации спирта надо отгонять меньше воды. Ожидается, что работа по созданию новых штаммов дрожжей, устойчивых к еще более высоким концентрациям спирта, будет успешной. Пока углеводы не переведены в форму, усваиваемую дрожжами, брожение не происходит. Добавление гидролизующих крахмал ферментов ускоряет этот процесс. Для этого обычно применяют амилазу из культуральной жидкости штаммов Bacillus subtilis и амилоглюкозидазу, выделяемую из культур грибов штаммов Aspergiltis niger и близких форм. Ферменты используются и при подготовке сусла, и при спиртовом брожении.

Спиртовые дрожжи в промышленном производстве спирта

Общая характеристика дрожжей

 

 

 

 

Сахар, содержащийся в сусле, сбраживают в спирт дрожжами Saccharomyces cerevisiae, представляющими собой одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к классу аскомицетов (сумчатых грибов).

Обычно дрожжи размножаются почкованием и очень редко (при большом дефиците питательных веществ) дрожжи размножаются спорообразованием.

Дрожжевые клетки бывают яйцевидной, эллипсоидальной, овальной или вытянутой формы, которая, как и их величина (6— 11 мкм), зависит от вида дрожжей и условий развития. Отношение поверхности клетки к ее объему влияет на скорость массообменных процессов между клеткой и питательной средой и, следовательно, на интенсивность жизнедеятельности дрожжей.

Дрожжевая клетка (рисунок ) состоит из оболочки, цитоплазмы и ядра. Наружная часть оболочки дрожжевой клетки образована полисахаридами типа гемицеллюлоз, преимущественно маннаном и небольшим количеством хитина, внутренняя часть — белковыми веществами, фосфолипидами и липоидами. Оболочка регулирует состояние клеточного содержимого и обладает избирательной проницаемостью, чем существенно отличается от обычных полупроницаемых мембран. 

 

Рис. Электронная микрофотография дрожжевой клетки: 1 — клеточная  стенка; 2 — цитоплазматическая  мембрана дрожжевой клетки; 3 — цитоплазма; 4 — ядро; 5 — митохондрии; 6 — почка

Цитоплазма дрожжевой клетки имеет гетерогенную структуру и вязкую консистенцию. Коллоидный характер ее обусловлен белковыми веществами. Кроме них цитоплазма содержит рибозонуклеопротеиды, липоиды, углеводы и значительное количество воды. Цитоплазма молодых клеток внешне гомогенна, при старении клеток в ней появляются вакуоли, равномерная зернистость, жировые и липоидные гранулы. В цитоплазме с ее органоидами (хондриосомами, микросомами, вакуолями) и включениями протекают важнейшие ферментативные процессы.

Митохондрии (хондриосомы) дрожжевой клетки имеют форму зернышек, палочек или нитей. Питательные вещества, проникающие в клетку, адсорбируются и аккумулируются хондриосомами и подвергаются быстрым превращениям вследствие концентрации в этих участках клетки соответствующих ферментов. В митохондриях полностью осуществляются цикл трикарбоновых кислот и важнейшая энергетическая реакция — окислительное фосфорилирование, почему их рассматривают как основную «силовую станцию» клетки. Здесь же происходят реакции активирования аминокислот в процессе синтеза 
белка, липидов и других соединений.

Микросомы (рибосомы) дрожжевой клетки представляют собой включения в виде субмикроскопических зернышек, состоящих из липоидов, белков и рибоиуклеиновых кислот (РНК), которые обеспечивают синтез белков за счет активированных аминокислот, поступающих из митохондриальной системы.

Ядро дрожжевой клетки — небольшое шаровидное или овальное тело, окруженное цитоплазмой и нерастворимое в ней. В ядерных структурах обособлены в виде включений дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и ее протеид (ДНКП), содержится большое количество РНК. ДНК способствует передаче наследственной информации, сохранению свойств микроорганизмов.

Обязательный органоид клетки вакуоли — полости, образующиеся в плазме при старении дрожжевых клеток, наполненные клеточным соком и отделенные от цитоплазмы вакуолярной мембраной, т.е. тонопластом - слоем из белков и липидов. Форма вакуолей изменяется вследствие движения и контракции цитоплазмы. Вакуоль в молодых клетках состоит из множества мелких полостей, в старых — из одной очень большой. Клеточный сок представляет собой водный раствор различных солей, углеводов, белков, жиров и ферментов. В вакуолях сосредоточиваются различные соединения, которые должны подвергаться ферментативным превращениям, образуются продукты жизнедеятельности и отбросы.

В молодых дрожжевых клетках жира обычно нет, в зрелых он содержится лишь в немногих клетках в виде очень мелких капелек, в старых — крупных капель. 

 

Гликоген (полисахарид структурно подобный амилопектину) является запасным питательным веществом дрожжей.

Гликоген накапливается при культивировании дрожжей на средах, богатых сахаром, и при недостатке сахара быстро расходуется. В молодых клетках гликогена мало, в зрелых — значительное количество (до 40%).

По внешнему виду дрожжевых клеток можно определить физиологическое состояние дрожжей. Для определения физиологического состояния дрожжей микроскопически определяется содержание гликогена путем окрашивания. В производственных средах одновременно присутствуют молодые, зрелые, почкующиеся, старые и отмершие дрожжевые клетки. Наибольшей бродильной энергией обладают зрелые дрожжевые клетки.

Дрожжи, применяемые в производстве спирта, должны обладать высокой бродильной энергией (быстро и полно сбраживать сахара), иметь анаэробный тип дыхания, быть устойчивыми к продуктам своего обмена и к продуктам обмена посторонних микроорганизмов, а также к изменению состава среды, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле, при переработке мелассы полно сбраживать раффинозу. При выделении дрожжей из зрелой бражки и использовании их в качестве хлебопекарных они должны отвечать требованиям, предъявляемым к хлебопекарным дрожжам по стойкости при храпении, подъемной силе, зимазной и мальтазной активности.     

На спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу, широкое распространение получили дрожжи расы Я, при использовании дрожжей в качестве хлебопекарных — рас лохвицкая (Ял) и венгерская (В). Эти расы дрожжей хорошо сбраживают сахарозу, глюкозу, фруктозу и лишь 1/3 раффинозы. Поэтому при большом содержании раффинозы в мелассе недобор спирта составляет значительную величину. Каждый процент раффинозы при полном сбраживании увеличивает выход спирта на 1,46%.

Повышение бродильной активности дрожжей может быть достигнуто различными способами: мутагенезом, гибридизацией и др. Для получения рас дрожжей с требуемыми свойствами наиболее перспективным оказался метод гибридизации, так как при скрещивании двух родительских видов дрожжей можно подобрать расы с заранее известными свойствами. Этим методом был получен ряд гибридов, имеющих преимущества перед дрожжами рас Я и В. В отличие от последних гибриды дрожжей содержат фермент а-галактозидазу, при помощи которого раффиноза полностью превращается в сбраживаемые сахара. Кроме того, у отдельных дрожжевых гибридов повышена генеративная способность и лучше хлебопекарные свойства. Мальтазная активность выше у гибрида 112, хотя спирта он накапливает на 1% меньше, чем дрожжи расы В. Гибриды 67 и 105 обеспечивают одинаковый выход спирта по сравнению с расой В, но проявляют высокую генеративную способность. Дрожжи расы Г-67 устойчивее к пониженному рН, при котором образуется больше спирта в результате сокращения расхода сахарозы на побочные продукты.

При сбраживании сусла из крахмалсодержащего сырья применяют дрожжи расы XII. Они хорошо сбраживают мальтозу, сахарозу и фруктозу, но не сбраживают конечные декстрины. Гидролиз конечных декстринов продолжается во время сбраживания сусла под действием декстриназы солода или глюкоамилазы микробного происхождения. Поэтому скорость сбраживания сусла из крахмалсодержащего сырья лимитируется скоростью гидролиза конечных декстринов.  

 

УСЛОВИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ДРОЖЖЕЙ

К условиям, обеспечивающим нормальную жизнедеятельность дрожжей, относятся прежде всего: температура, рН и состав питательной среды, т.е. бражки.

Температура и рН бражки

Дрожжи живут и размножаются в широких температурных пределах, но для нормальной их жизнедеятельности необходима температура 29—30°С. При очень высокой или очень низкой температуре жизнедеятельность дрожжей ослабляется или прекращается. Максимальная температура для развития дрожжей 38°С, минимальная —5°С; при температуре 50°С дрожжи погибают.

Оптимальные температуры для развития и проявления максимальной бродильной активности не всегда совпадают. Дрожжи, выращенные при температуре, например, 17—22°С, имеют большую бродильную энергию. Сбраживание мелассного сусла при температурах выше 30°С отрицательно отражается на выходе и качестве дрожжей, выделяемых из зрелой бражки и используемых в качестве хлебопекарных. Ферментативная активность, подъемная сила и стойкость таких дрожжей при хранении понижаются, поэтому рекомендуется следующий температурный режим выращивания дрожжей и сбраживания мелассного сусла: в дрожжегенераторах 28—29°С, в двух головных бродильных аппаратах 30—31°С и в концевых аппаратах 28—29°С. Сусло из крахмалсодержащего сырья сбраживают при температуре 28—32°С.

При повышении температуры дикие дрожжи и бактерии размножаются значительно быстрее сахаромицетов. Если при температуре 32°С коэффициент размножения диких дрожжей в 2—3 раза больше коэффициента размножения сахаромицетов, то при 38°С — уже в 6—8 раз больше.

Ускоренное развитие бактерий приводит к повышению кислотности бражки. В обоих случаях уменьшается выход спирта.

На жизнедеятельность дрожжей значительно влияет активная кислотность среды. Водородные ионы изменяют электрический заряд коллоидов плазменной оболочки клеток и в зависимости от концентрации могут увеличивать или уменьшать проницаемость плазменной оболочки дрожжевой клетки для отдельных веществ и ионов. От величины рН зависят скорость поступления питательных веществ в дрожжевую клетку, активность ферментов, образование витаминов. При изменении рН среды изменяется и направление самого брожения. Если рН бражки сдвигается в щелочную сторону, то увеличивается образование глицерина.