автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.15, диссертация на тему:Формирование качества пива и повышение эффективности дрожжевого производства путем использования активаторов метаболизма дрожжей

На правах рукописи

ПАВЛОВ АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

Формирование качества пива и повышение эффективности дрожжевого производства путем использования активаторов метаболизма дрожжей

Специальность: 05.18.15 - технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Кемерово -2013

005538907

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

доктор технических наук, профессор Помозова Валентина Александровна

Тыщенко Елизавета Алексеевна,

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Товароведение и управление качеством»

Пушмина Ирина Николаевна,

доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск, профессор кафедры «Технология и организация общественного питания»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул

Защита диссертации состоится «18» декабря 2013 года в 14.00 час на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел/факс (8-384-2) 39-68-88

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан « » ноября 2013 года

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современной тенденцией развития различных отраслей пищевой промышленности является повышение эффективности производства за счет регулирования скорости и направленности основных технологических процессов.

Из всех известных микроорганизмов дрожжи можно считать наиболее ценными в практическом отношении. В производствах, использующих аэробную (дрожжевая промышленность) или анаэробную (пивоварение, виноделие, спиртовое производство) ферментацию, применение различных активаторов и стимуляторов жизнедеятельности дрожжей экономически целесообразно, так как достигается значительный эффект от их применения без существенных капитальных вложений.

Дрожжевые клетки по химическому составу сильно отличаются от состава питательной среды, в которой они размножаются. Одной из основных особенностей живой клетки является ее способность использовать компоненты питательной среды, вовлекая их в процесс своего метаболизма. В жизнеспособной клетке должно проявляться согласованное взаимодействие реакций конструктивного и энергетического обмена, протекающих при синтезе клеточных структур и биомассы. Поэтому питательная среда должна содержать необходимый комплекс источников углеводов, азотистых соединений, липидных компонентов, минеральных веществ, из которых формируются структурные компоненты клеток и производится энергия для осуществления всех реакций. Таким образом, обогащение среды широким спектром таких компонентов создаст благоприятные условия для осуществления многообразных биохимических реакций в клетке.

Степень разработанности темы исследования. Вопросами регулирования метаболизма дрожжей и оценкой эффективности воздействия на них различных факторов среды занимались и занимаются ряд ученых и специалистов в стране и за рубежом: С.А. Коновалов, И.М. Грачева, B.C. Исаева, А.Ю. Жвир-блянская, Л. Нарцисс, В.Е. Kirsop, L. Chapon, Van Den Berg, К. Fisher и др.

При размножении клеток в дрожжевом и пивоваренном производстве решаются различные задачи. Процесс ведения дрожжевой культуры на дрожжевом заводе направлен на накопление максимального количества биомассы, тогда как в пивоваренном производстве при размножении дрожжей должна быть обеспечена их жизнеспособность и высокая бродильная активность, возможность перехода на анаэробный тип ферментации и микробиологическая чистота культуры.

Одним из путей регулирования метаболизма дрожжей является использование активаторов и подкормок, повышающих уровень обменных процессов и обеспечивающих соответствие характеристик получаемой культуры требованиям того или иного производства.

Таким образом, повышение эффективности дрожжевого и пивоваренного производств путем увеличения уровня метаболизма дрожжей за счет применения активирующих и стимулирующих препаратов, является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является обеспечение качества пива и повышение эффективности дрожжевого производства путем стимулирования обменных процессов дрожжей.

В связи с поставленной целью определены основные задачи работы:

- обоснование методов повышения активности дрожжей с использованием активаторов конструктивного и энергетического обмена;

- систематизирование факторов, позволяющих повысить уровень обменных процессов в дрожжах;

- исследование возможности использования препаратов пантов для улучшения физиолого-биохимических характеристик хлебопекарных дрожжей;

- исследование возможности активирования сухих пивных дрожжей путем обработки минерально-органическими активаторами (комплексной минерально-органической подкормкой и препаратом пантов) и оценка их влияния на физиолого-биохимические характеристики культуры и качество пива;

- исследование основных закономерностей изменения физиолого-биохимических характеристик дрожжей, определение параметров обработки дрожжевой культуры смесью органических кислот;

- разработка технологии активирования сухих пивных дрожжей, проведение производственной проверки разработанной технологии, товароведная оценка характеристики пива, полученного в производственных условиях.

Научная новизна полученных результатов заключается в обосновании и разработке способов повышения качества пива и увеличения эффективности выращивания хлебопекарных дрожжей путем использования активаторов конструктивного и энергетического обмена дрожжей.

Признакам научной новизны отвечают следующие результаты диссертационной работы:

- систематизированы основные факторы, повышающие активность конструктивного и энергетического обмена дрожжей. Предложена классификация факторов, определяющих жизнеспособность дрожжей;

- обоснован механизм активации дрожжей с помощью препарата пантов и смеси органических кислот;

- получены основные закономерности изменения физиолого-биохими-ческих характеристик хлебопекарных и пивных дрожжей при их активации препаратом пантов;

- показано положительное влияние смеси органических кислот цикла Кребса на физиолого-биохимические характеристики пивных дрожжей

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая ценность работы заключается в обосновании способов повышения эффективности дрожжевого и пивоваренного производства путем использования активаторов обменных процессов дрожжей.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке технологии активирования сухих пивных и хлебопекарных дрожжей путем использования препаратов пантов и органических кислот как активаторов размножения и роста дрожжей.

Разработана технологическая инструкция по подготовке сухих пивных дрожжей к брожению, которая прошла производственную проверку в ООО «Продлкжс», г. Кемерово.

Результаты научных исследований используются в учебном процессе при обучении студентов по специальности «Технология бродильных производств и виноделие» и направлению подготовки бакалавров «Продукты питания из растительного сырья (профиль «Технология бродильных производств и виноделие»)».

Методология и методы исследования. Экспериментальная часть выполнена на высоком методическом уровне с использованием современных и общепринятых методов исследований. В работе использованы статистические методы обработки экспериментальных данных. Результаты исследований прошли практическую апробацию и рекомендованы для внедрения.

Положения, выносимые на защиту

• обоснование механизма активации метаболизма дрожжей путем использования препарата пантов как стимулятора конструктивного обмена дрожжей.

• обоснование механизма воздействия смеси органических кислот цикла Кребса на энергетические обменные процессы дрожжей

• обобщение результатов положительного воздействия исследованных активаторов на ферментативный комплекс пивных и хлебопекарных дрожжей и качество готовой продукции

Степень достоверности и апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», IX Международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество», г. Краснообск Новосибирской обл.; на Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии», г. Кемерово; XIV Международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», г. Барнаул.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и 7 глав, включающих обзор литературы, методологию проведения исследований, результаты исследований, выводы, список использованных источников и приложения. Основная часть работы изложена на 122 страницах. Диссертация содержит 13 рисунков и 31 таблицу. Библиографический список включает 187 наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика состояния проблемы повышения эффективности пивоваренного и дрожжевого производства, обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором рассмотрены особенности метаболизма хлебопекарных и пивных дрожжей, вопросы обеспечения качества пива путем регуляции метаболической активности, характеристика различных добавок, активирующих жизнедеятельность дрожжей.

Вторая глава посвящена постановке эксперимента, описанию объектов и методов исследования. Эксперимент разделен на 5 основных этапов.

На первом этапе дано обоснование методов повышения активности дрожжей с использованием активаторов метаболизма, предложена схема взаимосвязи конструктивного и энергетического обмена и возможность влияния на них.

На втором этапе исследована возможность использования препарата пантов для улучшения физиолого-биохимических характеристик хлебопекарных дрожжей, определены параметры процесса, позволяющие обеспечить высокий уровень метаболизма засевных дрожжей.

На третьем этапе исследованы параметры активирования сухих пивных дрожжей с помощью минерально-органических активаторов (комплексной минерально-органической подкормкой и препаратом пантов) и дана оценка их влияния на физиолого-биохимические характеристики культуры и качество пива.

На четвертом этапе исследованы основные закономерности изменения физиолого-биохимических характеристик дрожжей, определены параметры обработки дрожжевой культуры смесью органических кислот цикла Кребса.

На пятом этапе проведена производственная оценка способа активации пивных дрожжей в условиях ООО «Продлюкс», г. Кемерово. Разработана технологическая инструкция по подготовке сухих пивных дрожжей. Проведена товароведная оценка показателей качества и безопасности полученной продукции.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на базе ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Ряд исследований показателей безопасности готового пива проведены в аккредитованной испытательной лаборатории ФГБУ «Кемеровская межобластная ветеринарная лаборатория»

Объектами исследования являлись: хлебопекарные дрожжи расы Л 144, сухие пивные дрожжи 8аЯа§ег расы W-34/70.

Для активации дрожжей применяли препарат пантов северного оленя, комплексную минерально-органическую дрожжевую подкормку (КДП), раствор смеси ди- и трикарбоновых кислот, состав которой разработан на кафедре «Общая химия и экспертиза товаров» Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» проф. А.Л. Верещагиным.

В работе использовались органолептические, физико-химические и микробиологические методы анализа, общепринятые в дрожжевой и пивоваренной промышленности. Активность ферментов дрожжей определяли поляриметрическим методом. Физиологическое состояние дрожжей (количество клеток общее, почкующихся, мертвых, с гликогеном) оценивали прямым микроскопированием. Содержание этилового спирта в бродящем сусле и пиве определяли с использованием автоматического электронного прибора «Колос». Определение суммы высших спиртов в отгонах осуществляли фотоколориметрическим методом, количество диацетила и ацетоина оценивали спектрофотометрическим спосо-

бом по методике Европейской пивоваренной конвенции (ЕВС), ацетапьдегид — способом фотометрирования.

Технологические характеристики дрожжей оценивали в соответствии с рекомендациями ЕВС.

Скорость сбраживания рассчитывали как время, необходимое для сбраживания 1 % экстракта дрожжами в количестве 20 млн кл/см3 в линейной фазе снижения удельного роста; удельную скорость роста оценивали как часовой прирост, пересчитанный на единицу растущей биомассы и рассчитанный в логарифмической фазе; выход клеток — общее количество полученных дрожжей к концу брожения, скорректированное с учетом количества засевных дрожжей; точка флокуляции - сброженность сусла при максимальной биомассе дрожжей во взвешенном состоянии.

Для обработки экспериментальных данных использовались стандартные методы статистического, корреляционного анализа. В работе приведены средние показатели экспериментальных данных.

Третья глава посвящена обоснованию способов повышения жизнеспособности дрожжей с помощью активаторов обмена.

Все используемые в настоящее время стимуляторы активности дрожжей влияют на их энергетический или конструктивный обмен. Дрожжевые подкормки, содержащие комплекс органических (гидролизаты белка, экстракты растений, морские гидробионты и пр.) и неорганических (соли цинка, аммония, природные минералы) веществ, обеспечивают дрожжевые клетки дополнительными питательными веществами, с помощью которых активируется синтез компонентов клетки, ферментов, катализирующих эндо- и экзергонические процессы, являющиеся основой метаболизма микроорганизмов.

Метаболизм дрожжевых клеток изменяется в зависимости от состава и количества питательных веществ, содержащихся в среде, и от параметров культивирования. В качестве источника углерода дрожжи используют низкомолекулярные сахара, органические кислоты, спирты. Все эти углеродсодержащие соединения превращаются в метаболиты с высвобождением энергии при участии молекул АТФ.

Для жизнедеятельности клеток важное значение имеет сопряжение процессов, в которых энергия высвобождается и расходуется на синтетические процессы, активный перенос, а часть переходит в тепловую энергию.

Для получения энергии в клетке протекает ряд последовательных реакций, основные из которых - анаэробное дыхание или брожение и аэробное дыхание (цикл трикарбоновых кислот).

На их ход и интенсивность влияют наличие необходимых субстратов, параметры среды, присутствие активаторов и ингибиторов размножения и роста.

Научный и производственный опыт пивоварения и выращивания дрожжей выявил ряд субстратов и факторов, которые активируют брожение и накопление биомассы дрожжевых клеток.

К числу активаторов конструктивного обмена можно отнести аминокислоты и другие низкомолекулярные азотистые соединения, минеральные соли, липидные компоненты. Для активизации энергетического обмена дрожжей

применяют углеводы, органические кислоты, различные методы физического воздействия, увеличивающие активность ферментативного комплекса, проницаемость клеточных мембран.

Все параметры и методы воздействия, усиливающие накопление энергии, положительно влияют и на конструктивный обмен, синтез высокомолекулярных соединений, входящих в состав органелл клетки, необходимых в процессах размножения дрожжей.

Нами предложена классификация факторов, повышающих уровень жизнедеятельности дрожжей (рисунок 1).

Углеводы, аминокислоты, органические кислоты, минеральные соединения, липиды, нуклеиновые кислоты, фак-

1

Конструктивный обмен

/

Энергетический обмен

............

А

Температура, рН, окислительно—восстановительный потенциал, оптические излучения, физические и электроимпульсные воздействия

Рисунок 1 - Факторы, влияющие на метаболизм дрожжей

Таким образом, обогащение питательной среды различными субстратами, усиливающими синтетические процессы в клетке, положительно влияет также на энергетический обмен.

Данные о составе биологически активных веществ пантов северного оленя, приведенные в обзоре литературы, позволяют предположить, что их внесение в среду культивирования будет способствовать повышению уровня конструктивного обмена за счет присутствующих в препаратах пантов широкого комплекса аминокислот, жирных и органических кислот, стеринов, стероидов. Аминокислоты являются строительным материалом для белков клетки, кислоты могут служить энергетическими субстратами и также строительными материалами для органоидов клетки. Ненасыщенные жирные кислоты, стероиды, стерины понижают потребность клеток в кислороде, что важно при культивировании хлебопекарных дрожжей и для размножения дрожжей в пивоваренном производстве.

Органические кислоты цикла Кребса, как показано в работах проф. АЛ. Верещагина, повышают проницаемость клеточных мембран, а также могут использоваться напрямую как энергетический субстрат.

Многие минеральные компоненты (Са2+, 2п2+, М§2+ и ряд других ионов) входят в состав активных центров ферментов, катализируют ряд реакций при брожении. Поэтому их введение в среду также позволит стимулировать обменные процессы.

Задачей следующих этапов работы явилась оценка влияния совместного использования минерально-органического комплекса (смеси измельченного цеолита с дрожжами) и препарата пантов, смеси органических кислот цикла Кребса (КЦК) на ферментативную активность, размножение, рост хлебопекарных и пивных дрожжей, а также на бродильную активность последних.

Четвертая глава посвящена оценке влияния способа активирования хлебопекарных дрожжей на их физиолого-биохимические характеристики и экономические показатели процесса дрожжегенерации.

Исследования проводили с использованием свеклосахарной мелассы, физико-химические показатели которой соответствуют рекомендуемым требованиям ГОСТ Р 52304-2005.

В работе использовали чистую культуру хлебопекарных дрожжей штамма Л 144. Размножение чистой культуры проводили на солодовом сусле в три стадии до объема 500 см3.

На первом этапе исследований изучали влияние препарата пантов на физиологические показатели чистой культуры хлебопекарных дрожжей.

Мелассу разбавляли дистиллированной водой 1:10. В мелассное сусло вносили питательные соли (10 %-ный раствор диаммонийфосфата и 15%-ный раствор хлорида калия), дрожжи чистой культуры и препарат пантов в виде водного раствора из расчета 0,1 г/100 см3 среды и помещали в термостат при 27 °С на сутки. В качестве контроля был взят образец дрожжей, выращенный без внесения препарата пантов.

Данные таблицы 1 свидетельствуют, что внесение препарата пантов приводит по сравнению с контролем к увеличению на 78 % общего количества дрожжевых клеток, на 63 % - клеток с гликогеном и снижению количества мертвых клеток на 48 %.

Таблица 1 - Показатели дрожжей, выращенных с добавлением препарата пантов

Показатель Опыт Контроль

Общее количество клеток, млн кл/см'> 75,3 42,5

Содержание мертвых клеток, % 5,7 11,0

Содержание клеток с гликогеном, % 68,2 41,8

Для сравнения эффективности воздействия на процесс культивирования хлебопекарных дрожжей различных подкормок (препарата пантов, комплексной минерально-органической дрожжевой подкормки (КДП) и других препара-

тов, широко используемых в различных отраслях бродильной промышленности) была поставлена следующая серия опытов.

Сусло готовили путем разбавления мелассы водой в соотношении 1 : 5 до концентрации сухих веществ 12 %, вносили питательные соли, отпрессованные дрожжи (вместо чистой культуры) в количестве 30 г/дм3 и подкормки в виде водных растворов из расчета 0,1 г/100 см3 среды. Процесс размножения дрожжей осуществляли в термостате в течение 24 ч при температуре 27 °С. Контролем служил образец без внесения подкормок. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Влияние различных подкормок на процесс культивирования дрожжей

Вид подкормки Сухие вещества, % Количество клеток,

общее, млн кл/см'* мертвых, %

Контроль 9,9 264 11,3

Препарат пантов 8,5 356 2,6

КДП 8,9 340 4,4

Родия Зумесит 10,5 232 8,5

Препарат цинка 10,7 228 12,4

Истфилд 10,0 240 10,2

Из исследуемых добавок наилучший результат показали препарат пантов и минерально-органическая подкормка, и поэтому в дальнейших экспериментах использовали именно их.

Интенсификация процесса размножения и повышение физиологической активности культуры при добавлении в среду культивирования препарата пантов и КДП, вероятно, позволит снизить норму засевных дрожжей, но при этом получить больший выход биомассы. Для проверки данного положения на следующем этапе работы норму вносимых прессованных дрожжей снизили до 10 г/дм3, доза подкормок составила 0,1 г/100 см3 (таблица 3).

Таблица 3 - Динамика размножения дрожжей при внесении в среду подкормок

Вариант Длительность процесса культивирования, ч

1 | 2 | 3 | 24 | 48

Общее количество клеток, млн кл/см'!

Контроль 248 292 368 960 640

Опыт 1 (панты) 320 420 560 1160 600

Опыт 2(КДП) 264 304 404 1080 560

Результаты показали, что уже с первых часов процесса культивирования размножение дрожжей протекает интенсивнее при добавлении в среду активирующих подкормок. Через сутки общее количество дрожжевых клеток в первом опытном образце составило 120,8 % от контроля, во втором - 112,5 %. Через двое суток выращивания общее количество дрожжевых клеток начало уменьшаться вследствие их отмирания из-за недостатка питательных веществ в среде.

Стимулирование процесса накопления биомассы в опытных образцах происходит даже при снижении дозировки засевных дрожжей до 3 г/дм3 и подкормок до 0,01 г/100 см3 (прирост клеток в этих вариантах в среднем на 11 % больше, чем в опытах с дозой препаратов 0,1 г/100 см3).

Следующим этапом исследования была оценка эффективности действия подкормок при замене прессованных дрожжей на чистую культуру. Результаты представлены на рисунке 2 (доза препаратов: опыт 1 - панты 0,1 %; опыт 2 -панты 0,01 %; опыт 3 - КДП 0,1 %; опыт 4 - КДПП - 0,01 %, контроль - без подкормок).

В" »о О

180 160 140 120 100 80 60 40

:о о

- -;гвг< 1 — ^

2 /V //> ------ ----------

/ ✓

/ /л

/у;

О 1 3 4 6 24 72 96 Дтггельностькультпвнрованпя.ч —•—контроль —■—ОПЫТ1 —□—опыт2 —й—опытЗ

Рисунок 2 - Влияние различных подкормок на процесс накопления биомассы при выращивании чистой культуры хлебопекарных дрожжей

Более полную информацию о росте дрожжевой культуры можно получить с помощью расчетных кинетических показателей процесса культивирования, которые приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Основные показатели роста дрожжевой культуры

Показатель Контроль Доза пантов, г/100 см'1 Доза КДП, г/100 см'

0,1 опыт 1 0,01 опыт 2 0,1 опытЗ 0,01 опыт 4

Средняя скорость роста, млн. кл. /ч 7,00 19,32 22,77 16,95 20,57

Выход клеток, млн кл/см3 48,56 74,40 87,50 69,54 77,76

Время удвоения биомассы, ч 0,29 0,19 0,12 0,20 0,17

Приведенные показатели роста дрожжевой культуры дают основание сделать вывод о том, что применение препарата пантов в дозировке 0,01 г/100 см3 среды - наиболее эффективный способ повысить физиологическую активность дрожжей.

Важнейшим показателем качества хлебопекарных дрожжей является ферментативная активность - зимазная и мальтазная, характеризующая способность дрожжей сбраживать сахара теста.

В опытных образцах выращенных дрожжей активность зимазы, в зависимости от дозы подкормки, на 31-74 % выше, чем в контрольном варианте, мальтазная активность - на 6-20 % больше контроля (таблица 5).

Таблица 5 - Ферментативная активность хлебопекарных дрожжей

Вариант Доза, Активность, ед/г

г/100 см3 зимазы мальтазы

Контроль - 32,35 64,20

Опыт 1 (панты) 0,1 50,17 72,70

Опыт 2 (панты) 0,01 56,47 77,25

Опыт 3 (КДП) од 42,27 68,48

Опыт 4 (КДП) 0,01 52,44 71,36

Оценка показателей качества прессованных хлебопекарных дрожжей, выращенных на меласеном сусле с добавлением препарата пантов и без него, показала (таблица 6), что опытный образец дрожжей обладает в сравнении с контролем более высокой подъемной силой (на 13 %), лучшей стойкостью (на 10 %) при хранении.

Таблица 6 — Показатели качества прессованных хлебопекарных дрожжей

Показатель Опыт (панты в дозе 0,01 г/100 см3) Контроль (без пантов)

Влажность, % 73 73

Подъемная сила, мин 58 67

Кислотность, мг уксусной кислоты/ 100 г дрожжей 115 110

Стойкость при хранении, ч 68 62

Таким образом, использование на стадии выращивания чистой культуры дрожжей препарата пантов и других подкормок позволяет улучшить физиологические свойства как чистой культуры, так и производственных дрожжей, интенсифицировать процесс накопления биомассы, тем самым сократить продолжительность культивирования, увеличить активность ферментов дрожжей. Предлагаемый способ активации дрожжей прост, может быть осуществлен на любом предприятии и не требует дополнительного оборудования.

В пятой главе исследованы способы формирования качества пива путем использования активированных пивных дрожжей.

В условиях микро- и мини-пивоварен одним из направлений повышения эффективности технологических процессов является использование препаратов активных сухих пивоваренных дрожжей. Однако жизнеспособность таких дрожжей в большинстве случаев понижена. Поэтому перед брожением их необходимо не только реактивировать, но и проводить активацию. Задача данного этапа исследований - изучить влияние препарата пантов на биохимические и физиологические показатели дрожжевой культуры.

Препарат пантов добавляли в суспензию реактивированных дрожжей в виде 0,1 %-ного водного раствора, после чего дрожжевую суспензию выдерживали при температуре 25 °С в течение 1 ч. Контролем служил образец дрожжевой суспензии в сусле без внесения препарата пантов.

Из полученных результатов (таблица 7) видно, что использование препарата приводит к увеличению активности исследуемых ферментов дрожжевой клетки в сравнении с контролем а-глюкозидазы в 2,0-6,8 раза, зимазы — в 1,52,5 раза, инвертазы - в 4,5-6,2. Возрастание ферментативной активности напрямую связано с дозой препарата. Повышение ферментативной активности дрожжей на стадии подготовки их к внесению в сусло является очень важной задачей, так как а-глюкозидаза (мальтаза) и инвертаза (Р-фруктофуранозидаза) отвечают соответственно за расщепление мальтозы и сахарозы, а зимазный комплекс клетки катализирует непосредственно процесс спиртового брожения.

Таблица 7 — Влияние препарата пантов на ферментативную активность дрожжей

Образец Доза, % к объему суспензии дрожжей Активность, ед/г

зимазы мальтазы инвертазы

Контроль - 26,80 1,43 11,44

Опыт 1 0,10 -10-J 40,34 2,85 52,40

Опыт 2 0,25 •10"J 53,10 3,57 66,70

Опыт 3 0,50 -Ю-3 67,20 5,70 68,70

Повышение ферментативной активности коррелирует с изменением величины бродильной активности в дрожжах, обработанных препаратом пантов, которая возросла по сравнению с контролем на 12—18 %.

Изучено влияние активации дрожжей препаратом пантов на ассимиляцию азота аминокислот при брожении пивного сусла. Процесс сбраживания осуществляли при засеве дрожжей 20 млн кл/см3 в термостате при температуре 25 "С в течение 3 суток.

В сбраживаемой среде в начальный период культивирования дрожжей отмечается более интенсивное потребление азота аминокислот в опытных вариантах, чем в контроле (таблица 8). Это можно объяснить усилением биосинтеза самой клеткой белка как материала для энергетического и конструктивного обмена, что в дальнейшем приведет к сокращению длительности лаг-фазы и времени между клеточными делениями.

Таблица 8 - Изменение содержания аминного азота (мг/100 см3) в сусле при брожении

Вариант опыта Доза, % к объему суспензии дрожжей Исходное сусло Длительность культивирования, ч

6 12 24 48 72

Контроль - 27,8 24,1 22,0 20,0 18,0 17,0

Опыт 1 0,10-Ю ' 27,8 24,3 22,8 21,2 17,5 16,5

Опыт 2 0,25 -10° 27,8 23,2 20,2 19,0 18,1 18,0

Опыт 3 0,50 -Ю^ 27,8 23,0 20,0 18,5 18,0 18,0

Известно, что недостаток кислорода в среде сбраживания приводит к ослаблению размножения дрожжей и снижению их жизнеспособности. Кислород необходим дрожжам главным образом для синтеза липидных компонентов клеточных мембран — ненасыщенных жирных кислот и стеринов. Однако увеличение кислорода в среде может привести и к ряду нежелательных процессов: возрастанию окислительно-восстановительного потенциала, излишнему накоплению биомассы, образованию повышенных количеств метаболитов клетки, удлиняющих созревание пива. Поэтому аэрообработку дрожжей рекомендуется проводить не более 30 минут, чтобы клетки не перешли с бродильного типа обмена веществ на дыхательный.

С целью насыщения среды не только необходимыми органическими веществами, но и кислородом было исследовано влияние аэрации на ферментативную активность дрожжей при разных дозировках препарата пантов. В качестве контроля был взят образец дрожжевой суспензии с предварительной аэрацией в течение 30 минут, но без внесения пантов.

Схема реактивации и аэрации дрожжей: сухие дрожжи (1 г) + сусло (10 см3) реактивация 20 мин. 25 "С сусло (100 см3) + панты аэрация 30 мин

Из данных таблицы 9 видно, что при аэрации дрожжей в присутствии препарата пантов в разных дозах увеличение активности зимазного комплекса происходит в 2,2-3,8 раза в сравнении с контролем, а-глюкозидазы в меньшей степени - в 1,4-2,5 раза.

Таблица 9 — Зависимость активности ферментов дрожжей от дозы препарата пантов в условиях аэрации

Вариант Доза, % к объему суспензии дрожжей Активность, % от контр.

зимазы мальтазы

Опыт 1 0,1-10' 224,00 74,80

Опыт 2 0,5-10'5 225,10 139,20

Опыт 3 1,0-10° 375,05 186,40

Опыт 4 и-Ш"3 383,50 251,40

С целью оптимизации состава среды для обработки дрожжей представляло интерес изучить совместное влияние на ферментативную активность дрожжевой культуры пищевых подкормок природного органического (препарата пантов) и неорганического происхождения. В качестве последней была взята комплексная минерально-органическая дрожжевая подкормка (КДП).

Препарат пантов в реактивированные дрожжи добавляли в виде 0,1 %-ного водного раствора, КДП — в сухом виде, после чего дрожжевую суспензию выдерживали 1 ч при 25 °С. В качестве контроля в одном случае служил образец без внесения подкормок, в другом (контроль)- с внесением пантов для оценки эффективности воздействия каждого из препаратов.

Увеличение активности ферментов происходит во всех случаях, но в большей степени это выражено для совместного воздействия препарата пантов

и КДП. Активность зимазного ферментного комплекса увеличивается по отношению к контролю в 6-7 раз, мальтазы - в 1,5-2,3 раза, что зависит от дозы препаратов.

Результаты исследований показали, что возрастание активности важнейших ферментов, как подготовительной стадии, так и собственно процесса спиртового брожения, связано с наличием в среде комплекса веществ, вносимых именно с препаратом пантов. Также следует отметить, что совместное использование препарата пантов и КДП более эффективно сказывается на ферментативной активности культуры, чем применение только пантов.

В следующей серии опытов было исследовано влияние предферментаци-онной аэрации дрожжей длительностью 30 минут при совместном использовании препарата пантов и КДП в различных соотношениях. Контроль - суспензия дрожжей с внесением пантов, без аэрообработки.

Возрастание в смеси подкормок препарата пантов способствует повышению активности зимазного комплекса в раза, мальтазы - 4,8-7 раз по отношению к контролю. Увеличение дозы КДП в смеси приводит также к изменению активности ферментов, но в меньшей степени: зимазы - в 1,2-1,8 раза, а мальтазы — в 1,5-2,6 раза.

Задача следующего этапа исследований - сравнение эффективности влияния подкормок при внесении их на различных этапах производства.

Для этого изучали процесс сбраживания пивного сусла активированными и неактивированными дрожжами по следующим вариантам (таблица 10). Контроль - сбраживание сусла дрожжевой разводкой без предварительной ее активации и без внесения в среду подкормок. Брожение вели при температуре 1215 °С в течение 7 суток, дрожжи (с активацией или без нее) вносили в сусло из расчета 20 млн кл/см3.

Таблица 10 - Варианты опытов

Вариант Стадия внесения препарата Доза препарата, % к объему среды

Контроль Дрожжи —> сусло -

Опыт 1 Дрожжи —» сусло + панты 0,5-10'3

Опыт 2 Дрожжи —> сусло + панты + КДП 0,5-Ю"' (панты) + 0,05 (КДП)

Опыт 3 Дрожжи + панты —> сусло 0,5-10"4

Во всех опытных образцах скорость сбраживания экстракта (рис. 3) значительно выше и достигает своего максимума на 1-2 суток раньше, чем в контроле, что позволяет сократить длительность главного брожения.

Внесение подкормок в сусло перед введением дрожжей более эффективно, особенно при совместном использовании препаратов, в сравнении с предварительной активацией дрожжей.

В процессе брожения разных образцов (расшифровка вариантов дана в таблице 10) были определены также важные с точки зрения пивоварения технологические характеристики дрожжей (таблица 11).

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0Л 0,1 О

С 1 \ 1 ЭНТрОЛ1

/ / \ 1 VI________ - А — Г; пыт1 ГТЫГ2~~

/ Ч

/

1 / / / У V' /\\ \

/ 1 / 1 (/ <

к

-- 1

0 12 3 4 5 Длительность ор ожега га, су т.

Рис. 3 - Динамика убыли экстракта при брожении сусла активированными дрожжами

Таблица 11 - Характеристика технологических показателей дрожжей в различных условиях активации их препаратом пантов

Показатель Контроль Опыт 1 ОпытЗ

Удельная скорость роста, ч"1 0,019 0,027 0,021

Время генерации, ч 36,8 25,9 30,6

Время сбраживания 1% экстракта, ч 26 21 23

Выход клеток, млн кл /см1 31,7 39,5 43,1

Точка флокуляции, % 25,1 19,2 21,0

Полученные данные свидетельствуют, что активация дрожжей препаратом пантов при внесении его в сусло на стадии брожения увеличивает удельную скорость роста на 29 и 42 %, снижает время генерации на 15 и 30 % по сравнению, соответственно, с предферментационной обработкой дрожжевой культуры и контролем. В этом же случае прирост клеток на 25 % больше, чем в контрольном варианте, и на 8 % меньше, чем в опыте 3. Быстро размножающиеся дрожжи после предферментационной обработки или активированные непосредственно при брожении обеспечивают интенсивное забраживание и глубокое сбраживание сусла, характеризуются хорошей флокулирующей способностью.

После главного брожения молодое пиво дображивали при температуре 2— 4 °С в течение 21 суток, затем был проведен анализ напитка по основным качественным показателям (таблица 12).

Полученные данные свидетельствуют, что в опытных образцах пива побочных продуктов (диацетила, ацетальдегида), отрицательно влияющих на вкус и аромат напитка, меньше, чем в контрольном образце. В итоге обеспечивается улучшение органолептических показателей готового пива без существенного изменения его физико-химических характеристик.

Таблица 12 - Показатели качества готового пива

Показатель Варианты

опыт 1 опыт 3 контроль

Объемная доля спирта, % 4,35 4,31 4,34

Кислотность, к. ед. 1,75 1,73 1,72

Цвет, ц. ед. 0,50 0,53 0,57

Высшие спирты, мг/дм"1 81 79 75

Диацетил, мг/дм3 0,10 0,13 0,19

Ацетальдегид, мг/дм3 8,0 8,3 9,2

Высота пены, мм 43 43 41

Пеностойкость, мин 4,8 4,8 4,7

Стойкость непастеризованного пива, сут. 13 12 10

Шестая глава посвящена оценке возможности активации пивных дрожжей смесью органических кислот цикла Кребса (КЦК) (янтарная, яблочная, фумаровая, лимонная, щавелевоуксусная кислоты в соотношении 1:1:1:1:1) в концентрациях ЬКГМ-К)"10 моль/дм3.

Дрожжи активировали по следующей схеме:

сухие дрожжи (1 г) + сусло (10 см3) реактивация 20 мин, 25

КЦК (1 см3) + сусло (100 см3) выдержка 6 ч, 25 °С>

Контролем служил образец дрожжевой суспензии без внесения смеси кислот (таблица 13).

Таблица 13 - Влияние КЦК на ферментативную активность дрожжей

Вариант Концентрация кислот, моль/дм3 Активность ферментов, ед/см3

зимазы мальтазы инвертазы

Контроль - 87,40 1,78 52,45

Опыт 1 МО-8 145,70 . 2,85 57,22

Опыт 2 МО" 165,10 3,21 63,42

Опыт 3 М0"'и 167,50 3,80 65,50

Из полученных результатов видно, что использование смеси кислот приводит к увеличению активности исследуемых ферментов дрожжевой клетки в сравнении с контролем: мальтазы — в 1,6-2,1 раза, зимазы - в 1,6-1,9 раза, ин-вертазы - в 1,1-1,3 раза.

Положительное действие кислот на физиологическое состояние дрожжевой культуры наблюдается во всех образцах. Количество почкующихся клеток возрастает в 1,5-1,6 раза в сравнении с контролем, клеток с гликогеном - в 1,2— 1,3 раза, снижение концентрации мертвых клеток составляет 14-18 %. Больший эффект воздействия предлагаемым препаратом проявляется при концентрациях 1-Ю"9 и МО"10.

Для анализа эффективности влияния смеси КЦК при внесении ее на различных этапах производства сравнивали четыре варианта: контроль — сбражи-

вание сусла реактивированными дрожжами без активации; опыт 1 - сбраживание среды дрожжами, активированными КЦК (концентрация 1-Ю"9 моль/дм3); опыт 2 и 3 - сбраживание сусла, в которое предварительно вносили КЦК (концентрация соответственно 1-Ю"9 и 1-Ю"10 моль/дм3), реактивированными дрожжами без предварительной обработки. Результаты представлены в таблице 14.

Таблица 14 - Накопление биомассы дрожжей в процессе брожения

Вариант Длительность брожения, сут

0 | 1 | 3 | 5 | 6 | 7

Общее количество клеток, млн кл/см3

Контроль (др. —> сусло) 20 28 60 75 49 30

Опыт 1 (др.+ КЦК (1-10'9)— сусло) 20 36 74 92 50 20

Опыт 2 (др.—сусло + КЦК (1-Ю"9) 20 32 68 80 56 24

ОпытЗ (др.—сусло + КЦК (МО'10) 20 38 77 88 48 18

Из полученных данных видно, что наибольший прирост дрожжей (на 1023 %) в сравнении с контролем наблюдается в опытных вариантах, особенно в 1-м и 3-м образцах. Характер накопления биомассы согласуется с динамикой изменения количества клеток почкующихся и мертвых. К концу процесса концентрация мертвых клеток в опытных вариантах в среднем на 40 % ниже, чем в контрольном образце в тот же период. Культура дрожжей, прошедшая активацию до введения в сусло, содержала больше на 38 % клеток с гликогеном по сравнению с контролем и другими опытными вариантами, что в дальнейшем положительно скажется на хранении дрожжей и сокращении лаг-фазы при введении дрожжей сразу в следующий цикл брожения.

В седьмой главе для подтверждения полученных результатов лабораторных исследований проведен производственный эксперимент в условиях мини-пивзавода ООО «Продлюкс», г. Кемерово.

Сухие дрожжи расы №34/70 в количестве 2,5 кг после регидратации активировали в сусле с добавлением раствора КЦК в концентрации 1-Ю"10 моль/дм3 в течение 3 часов, после чего были введены в пивное сусло (объем 6000 дм3) экстрактивностью 11 %. Контролем служили регидратированные дрожжи без обработки. Динамика сбраживания экстракта приведена на рисунке 4.

Скорость брожения опытного образца заметно выше, в результате продолжительность брожения может быть сокращена на одни сутки при тех же параметрах процесса. Пиво по окончании брожения дображивали в течение 22 суток при температуре 0 - минус 1°С. Готовое пиво опытного образца отвечало всем требованиям стандарта по органолептическим и физико-химическим показателям.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что активирование сухих дрожжей КЦК в концентрации Ю"9-Ю'10 моль/дм3 положительно сказывается на их физиологическом состоянии, ферментативной активности и процессе сбраживания пивного сусла.

Продолжительность брожения, су т. —»—контроль —■—опыт

Рисунок 4 - Динамика убыли экстракта сусла опытного и контрольного образцов в производственном эксперименте

Выводы и рекомендации

1. Обоснована возможность активации хлебопекарных и пивных дрожжей препаратами, содержащими аминокислоты, ненасыщенные жирные кислоты, стерины, минеральные компоненты. Предложена классификация методов и факторов, повышающих уровень жизнедеятельности дрожжей.

2. Показано повышение качества хлебопекарных дрожжей и эффективности их культивирования путем выращивания засевных дрожжей с добавлением препарата пантов северного оленя в количестве 0,01 г/100 см3. Дрожжи, полученные из активированных засевных дрожжей, имеют более высокую ферментативную активность и подъемную силу (на 13 % выше, чем в контроле), характеризуются лучшей стойкостью (на 10 %) при хранении.

3. Использование препарата пантов (в отдельности или совместно с КДП) для обработки пивных дрожжей как на стадии подготовки дрожжей к сбраживанию, так и непосредственно в сусло перед введением дрожжевой суспензии, повышает физиологическую активность культуры, что положительно сказывается на процессе брожения, образовании побочных продуктов. Эффективность воздействия подкормок усиливается при использовании их в условиях аэрации на стадии подготовки сухих дрожжей к сбраживанию сусла. Рекомендуемые дозы (% к объему среды) препарата пантов -(0 100,75) -Ю"3.

4. Использование смеси кислот цикла Кребса (КЦК) при предфермента-ционной обработке дрожжей приводит к увеличению активности исследуемых ферментов дрожжевой клетки в сравнении с контролем: мальтазы - в 1,6-2,1 раза, зимазы - в 1,6-1,9 раза, инвертазы - в 1,1-1,3 раза. Рекомендуемые концентрации КЦК - 10"9 и 10"'° моль/дм3.

5. Показана эффективность разработанной технологии в производственном эксперименте в условиях мини-пивзавода ООО «Продлюкс», г. Кемерово. Продолжительность брожения пива дрожжами, обработанными смесью КЦК,

сократилась на одни сутки при соответствии опытного образца требованиям стандарта.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Применение новых видов пищевых подкормок для дрожжей в производстве пива / JI.B. Пермякова, В.А. Помозова, A.A. Павлов, С.И. Хорунжина // Техника и технология пищевых производств. — 2013. — № 2. - С. 46-52.

2. Активация пивных дрожжей смесью органических кислот /A.A. Павлов, В.А. Помозова, JI.B. Пермякова, А.Л. Верещагин // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5. - URL: http://www.science-education.ru/111-10553.

Статьи в сборниках научных трудов, тезисов и материалов конференций

3. Активация дрожжей природными комплексными препаратами /

A.A. Павлов, В.А. Помозова, A.A. Ходжамкулова, В.Г. Шелепов // Пища. Экология. Качество: труды IX Международной научно-практической конференции (11-12 сентября 2012 г.). - Краснообск, 2012. - С. 161-162.

4. Павлов A.A. Исследование процесса сбраживания пивного сусла с использованием природных стимуляторов / A.A. Павлов, Л.В. Пермякова,

B.А. Помозова // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: сборник материалов XIV Международной научно-практической конференции (29 ноября 2012 г.) / под ред. В.П. Коцюбы, Е.С. Дикаловой; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2013. - С. 177-179.

5. Павлов A.A. Совершенствование процесса выращивания хлебопекарных дрожжей путем использования пищевых подкормок / A.A. Павлов, Л.В. Пермякова, С.И. Хорунжина // Инновационный конвент «Кузбасс: образование, наука, инновации» (Кемерово, 6-7 декабря 2012 г.). - Кемерово, 2012.-С. 203-206.

6. Пути активации пивных дрожжей с помощью природных биологически активных компонентов / Л.В. Пермякова, В.А. Помозова, Р.В. Русских, A.A. Павлов // Пищевые инновации и биотехнологии: сборник материалов Международного научного форума и конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (15-18 апреля 2013 г.). / под общей ред. А.Ю. Просекова; ФГБОУ ВПО КемТИПП. - Кемерово, 2013. - С. 478^483.

Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60х84'/16. Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 19/13.

Адрес издательства и типографии: ООО «Издательство «Кузбассвузиздат». 650043, г. Кемерово, ул. Ермака, 7. Тел. 8 (3842) 58-29-34, т/факс 36-83-77. E-mail: 58293469@mail.ru

ФГБОУ ВПО КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

04201453207

ПАВЛОВ АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

Формирование качества пива и повышение эффективности дрожжевого производства путем использования активаторов метаболизма дрожжей

Специальность: 05.18.15 - технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения

и общественного питания

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор В.А. Помозова

Кемерово -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 4

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................. 9

1.1 Общая характеристика метаболизма дрожжей........................... 9

1.2 Особенности метаболизма хлебопекарных дрожжей..................... 15

1.3 Особенности метаболизма пивных дрожжей................................. 19

1.4 Пути активации обмена дрожжей в производстве пива и хлебопекарных дрожжей......................................................... 30

1.5 Характеристика препаратов на основе пантов.............................. 33

Заключение по обзору литературы............................................. 43

ГЛАВА 2 МЕТОДОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА...... 45

2.1 Организация работы и этапы эксперимента................................ 45

2.2 Объекты исследования............................................................ 45

2.3 Методы исследования............................................................. 47

ГЛАВА 3 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ АКТИВНОСТИ ДРОЖЖЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВАТОРОВ КОНСТРУКТИВНОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

ОБМЕНА............................................................................ 50

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДРОЖЖЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕПАРАТА ПАНТОВ СЕВЕРНОГО

ОЛЕНЯ............................................................................... 54

ГЛАВА 5 ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПИВА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПИВНЫХ ДРОЖЖЕЙ, АКТИВИРОВАННЫХ

ПРЕПАРАТОМ ПАНТОВ ОЛЕНЕЙ.......................................... 66

ГЛАВА 6 ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СМЕСИ КИСЛОТ ЦИКЛА КРЕБСА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДРОЖЖЕВОЙ КУЛЬТУРЫ........................ 86

' »

«А) ' ^ . > 1 ■» \ } < * ' I '(I

»^Ч'^М " ' * ( * ' ' » ^ ' < 1 .

ГЛАВА 7 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИИ

АКТИВИРОВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ............................................. 96

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.............................................. 101

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................ 102

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................... 123

<0>

НАД*

НАДН + Н

н3с-

соон

Я

Яблочная кислота

сн2 ¿оон Щавелевоуксусная (кетоян тарная) кислота

HSCo А

П иро виноградная кислота

ноос

Лимонная соон кислота

НООС^^Л

Фумаровая кислота

соон

цис-Аконитовая ноос -кислота

®

ь.

фадн2

ФАД

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

©

Янтарная кислота

соон

I

сн2 сн2

¿ООН

HSCo А

(2) ГДФ

Изопимонная кислота

ноос

<j:ooh не—он

-Ан

I

сн2

¿ООН

соон

соон

I Су кци н ип кофермен т А СН2

¿н2

¿~SCo А Ч

HSCo А

НАДН+ Н*

CD

НАД

С^ООН

с=о

¿н2 I

СН2 ¿с

Щавелевоян тарная кислота

с =о

ноос—сн

¿ь

:оон

сс.-Кетогпутаровая кислота

н2

jA—HAR*

АДН

<3>

НАДН + н~

соон

<ж>

Рисунок 1.1— Цикл Кребса

Ацетильный остаток, вошедший в структуру лимонной кислоты, подвергается окислению, при этом атомы углерода окисляются до СО2, атомы водорода частично акцептируются коферментами дегидрогеназ, частично в протонированной форме переходят в раствор, то есть в окружающую среду.

Исходным соединением для образования ацетил-КоА является пировиноградная кислота (пируват), образующаяся при гликолизе и занимающая одно из центральных мест в перекрещивающихся путях обмена веществ. Под влиянием фермента пируватдегидрогеназы, пируват окисляется с образованием СО2 (первое декарбоксилирование), ацетил-КоА и восстанавливается НАД. Все, ферменты, участвующие > в реакциях цикла

Кребса, локализованы в митохондриях, причем большинство из них растворимы, кроме сукцинатдегидрогеназы, которая прочно связана с мембранными структурами.

Образование лимонной кислоты, с синтеза которой и начинается собственно цикл Кребса, при помощи цитратсинтетазы, является реакцией эндергонической (с поглощением энергии), и ее реализация возможна благодаря использованию богатой энергией связи ацетильного остатка с КоА [СН3СО~8КоА]. Это главная стадия регуляции всего цикла. Далее следует изомеризация лимонной кислоты в изолимонную через промежуточную стадию образования цис-аконитовой кислоты. Продуктом дальнейшего превращения изолимонной кислоты под влиянием соответствующей дегидрогеназы (изоцитратдегидрогеназа) является щавелевоянтарная кислота, декарбоксилирование которой (вторая молекула СО2) приводит к кетоглутаровой кислоте. Продуктами реакции являются СОг (третье декарбоксилирование), ГТ и сукцинил-КоА. На этой стадии включается сукцинил-КоА-синтетаза, иначе называемая сукцинаттиокиназой, катализирующая обратимую реакцию образования свободного сукцината:

Сукцинил-КоА + Рнеорг + ГДФ = Сукцинат + КоА + ГТФ.

При этой реакции осуществляется субстратное фосфорилирование, т.е. образование богатого энергией гуанозинтрифосфата (ГТФ) за счет гуанозиндифосфата (ГДФ) и минерального фосфата (Рне0рг) с использованием энергии сукцинил-КоА. После образования сукцината вступает в действие сукцинатдегидрогеназа - флавопротеид, приводящий к фумаровой кислоте. ФАД соединен с белковой частью фермента и является метаболически активной формой рибофлавина (витамин В2). Этот фермент также характеризуется абсолютной стереоспецифичностью элиминирования водорода. Фумараза обеспечивает, равновесие между фумаровой кислотой и

./V № Г ''1' < ,\"< М 1" ' ч г """„ЛИ >">Ч "

яблочной, а дегидрогеназа яблочной кислоты приводит к завершению цикла

Кребса, то есть к образованию щавелевоуксусной кислоты. После этого повторяется реакция конденсации щавелевоуксусной кислотой с ацетил-КоА, приводящая к образованию лимонной кислоты, и цикл возобновляется.

1.2 Особенности метаболизма хлебопекарных дрожжей

Все штаммы 8. сегеУ1зеае способны в качестве единственного источника азота использовать аммиак и мочевину, а также усваивают аминокислоты, некоторые пептиды, азотистые основания. Дрожжи этого вида не синтезируют протеаз, поэтому не утилизируют внеклеточный белок.

Чаще всего при культивировании хлебопекарных дрожжей в качестве источника азота используют соли аммиака, аммиачную воду, мочевину [101, 102, 141, 144, 150, 152, 154]. Соли аммиака предпочтительней аммиачной воды, так как последняя сдвигает рН в щелочную среду, в то же время соли аммония после утилизации их дрожжами высвобождают кислоту, соответствующую аниону.

Мочевина утилизируется дрожжами хорошо, если в среде присутствует биотин в 3-х кратном количестве по сравнению с нормой. Это связано с тем, что дрожжи располагают не экстрацеллюлярно действующей уреазой, а интрацеллюлярной системой расщепления мочевины на ЫН3, при этом в одной из стадий происходит карбоксилирование с участием биотина.

Дозировка источника азота при непрерывном культивировании хлебопекарных дрожжей должна производиться в соотношении к источнику углерода с учетом желательного содержания белка в дрожжах. Высокое содержание белка более 50 % к сухим веществам предполагает высокую ферментативную активность и высокую подъемную силу дрожжей, однако это приводит к пониженной стойкости дрожжей при хранении, склонность к автолизу. И, наоборот, при низком содержании белка, менее 43 % к сухим веществам, . при низкой ., ферментативной < активности • - наблюдается .„более высокая стойкость дрожжей. Это связано с тем, что при высоком содержании

протеина накапливается мало резервных углеводов, служащих источником энергии при хранении дрожжей, при их использовании наступает автолиз клеток.

Утилизация дрожжами азота и фосфора взаимосвязано. Фосфор используется только в виде аниона фосфата РО4"3. Соотношение в среде P:N=1:32 до 1:36. При недостатке фосфора поглощается не весь азот, и наоборот.

Сера используется в виде аниона сульфата SO4"3, калий и магний ассимилируются в виде катионов [1, 2, 48, 53, 56, 141, 144].

В целом, специфическая потребность дрожжей в микроэлементах не достаточно изучена, так как с мелассой попадают неконтролируемые количества микроэлементов, кроме того, возможно комплексообразование в культуральной среде. Дрожжи нуждаются в кальции в количестве 500 мг/кг; натрии - 250 мг/кг; цинке - 50 мг/кг; железе - 25 мг/кг; небольших количествах марганца, меди, кобальта (соответственно 5; 2; 1 мг/кг) [185, 186]. Тормозящее действие на рост дрожжей оказывают кадмий, серебро, медь (в избытке), ртуть и др.

Так как дрожжи являются гетеротропными микроорганизмами, они нуждаются в ростовых веществах [48, 91, 101, 102, 105, 141, 144]: D-биотине, D-пантотеновой кислоте, m-инозите, некоторые штаммы также требуют присутствия пиридоксина и /или тиамина. Потребность большинства штаммов в ростовых веществах: D-биотине - 0,3 мг/кг сухого вещества, D-пантотеновой кислоте - 150 мг/кг с.в., m-инозите - 2000 мг/кг с.в. D-биотин может заменяться как ростовое вещество высокой задачей аспарагиновой кислоты или относительно высокими дозировками ненасыщенных жирных кислот при добавлении от 5 до 10 г/кг с.в. дрожжей в форме соответствующих глицеридов.

Биотин в качестве коэнзима участвует во всех реакциях карбоксилирования, * при которых образуется СО2, а также, л вероятно, участвует в биосинтезе липидов плазматической мембраны, так как его

недостаток ведет к дезорганизации мембраны клетки и связанному с этим сильному повышению проницаемости мембраны.

Пантотеновая кислота является составной частью коэнзима А, недостаток ее ведет к спаду активности клеточного дыхания, но не влияет на брожение. Потребность в пантотеновой кислоте может быть возмещена ß-аланином.

Инозит необходим как составная часть фосфолипидов в строительстве клеточных мембран, в связи с чем, имеется относительно большая потребность у дрожжей в нем.

Недостаток инозита приводит к усиленной проницаемости плазматической мембраны и мембраны митохондрий, последствием чего является гибель клетки.

Если рост клетки идет в анаэробных условиях, возникает потребность в дополнительных ростовых веществах, в частности в эргостероле и олеиновой кислоте, так как при их синтезе необходим молекулярный кислород. Если этого нет, то рост дрожжей прекращается [4, 25, 79,100, 145,154, 161, 163,181, 182].

Обмен веществ в дрожжевой клетке определяется не только наличием субстратов, но и протекает в пределах только ограниченных параметрах среды, при которых возможен активный обмен веществ с клеточным воспроизведением.

Наиболее важными физико-химическими факторами среды являются: вода, статическое давление, температура, окислительно-восстановительных потенциал, концентрация ионов водорода (pH), концентрация кислорода и диоксида углерода в растворе [10, 100, 161, 171].

Интрацеллюлярное содержание воды в клетках дрожжей, при котором происходит активный обмен веществ, составляет 70-75 %. Эта вода поддерживает в сольватированном состоянии белки и другие коллоиды

«,клетки. Вода посредством диффузии может,проникать в клетки и обратно в

'' ' ^M'l V' '<>V 'i-г ^Л4..''./ t'» ' 'V'Vi *

1 ' зависимости от осмотического давления среды. Более точно условия для

микроорганизмов характеризует - активность воды, численно равная отношению давления водяного пара к давлению паров чистой воды. БассИаготусез сегеу1з1ае растут в средах со значениями - от 0,999 до 0,970, соответственно, при Росм от 1 до 40 бар. При меньшем осмотическом давлении, что связано с пониженной концентрацией субстрата в среде, рост не возможен из-за недостатка питания, при больших значениях клетка отдает воду, уменьшается степень набухания полимеров, активность обмена падает. При отсутствии неблагоприятных факторов клетка способна восстанавливать интрацеллюлярную воду.

Статическое давление до 10 бар и импульсы давления от 500 до 1000 бар/0,1 сек не оказывают существенное негативное влияние на клетки. Возможно торможение дыхания и брожения, но, очевидно, вследствие повышения парциального давления СО2 в среде.

Температура оказывает большое влияние на обмен веществ и нормы роста дрожжей [30, 37, 57, 93]. Значение имеют, так называемые, кардинальные температуры: минимум, оптимум и максимум. Для роста и размножения дрожжей БассЬаготусез сегеУ131ае оптимум температур 32,5-33,0 °С, брожение может идти при более высоких температура до 40 °С, но при этом уже нет роста клеток. Повышение температуры ускоряет обмен веществ в соответствии с влиянием температуры на химические реакции. Сверх оптимума идет инактивация ферментов и повреждение структурных элементов клетки.

рН влияет на клетку непосредственно, проявляя благоприятное действие в районе оптимальных значений, а также оказывает влияние на состояние диссоциации ионизируемых питательных веществ и продуктов обмена. рН-оптимум для сбраживания в пределах 4,0-4,6; для дыхания - 2,7-6,6. Следует отметить, что при этом экстрацеллюлярное значение рН колеблется в области рН 5,8-6,0 даже при значительных колебаниях рН среды.

В( производственных условиях при, выращивании хлебопекарных дрожжей оптимальными считаются значения активной кислотности (рН): для

чистой культуры дрожжей - 4,0-4,8; для производственных - 4,6 в начале до 5,6-6,4 в конце периода [101, 102, 141, 144].

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) определяет степень аэробности среды. Для аэробных культур ОВП почти не изменяется в процессе культивирования, в среднем от 80 до 50 мВ, для анаэробных - от 50 до минус 150-170 мВ [10, 91, 95, 171]. Измерение ОВП в качестве меры контроля процесса пока не используется в технике выращивания дрожжей, так как нет надежных методов его оценки.

В тоже время, от степени аэробности среды зависит путь энергетического обмена дрожжей, который сопряжен с ассимиляцией. В процессе ассимиляции происходит потребление и преобразование питательных веществ. Ассимиляция сопровождается затратой энергии. При диссимиляции в клетке образуется необходимая энергия.

Диссимиляция является процессом преобразования и распада веществ, которые сопровождаются выделением энергии. В клетке энергия накапливается в виде АТФ. Образование в клетке АТФ происходит при брожении и дыхании.

1.3 Особенности метаболизма пивных дрожжей

В производстве пива используют дрожжи следующих видов: ЗассИаготусеБ сегеу1з1ае, которые являются дрожжами верхового брожения, и дрожжи низового брожения - БассИаготусез сагЬЬе^ег^з [48, 66, 76, 94, 97]. Используют в зависимости от техники брожения и от сорта пива. Разные типы дрожжей придают пиву различный вкус [84-86, 96].

Верховые дрожжи сбраживают раффинозу не полностью, а лишь на одну треть и образуют на поверхности сбраживающейся жидкости неосаждающуюся суспензию, имеющую вид плотной пены. Поэтому

дрожжи этой группы получили, название верховых, а пиво, для производства

<. V"! -г м. -^Ам. ^ > ^ V у,*",-

которого их применяют, называют пивом верхового брожения. Процесс

брожения протекает при температуре 10-25 °С, а если температура достигнет 10 °С и ниже, то он прекращается, после чего дрожжи оседают на дно.

Низовые дрожжи, в отличие от верховых, сбраживают раффинозу полностью. После сбраживания дрожжи собираются в виде хлопьев и оседают на дно бродильного аппарата. Поэтому их называют низовыми дрожжами, а получаемое пиво - пивом низового брожения. Сбраживание низовыми дрожжами протекает при температуре 6-8 °С и прекращается при 0°С [48, 158].

Пивоваренные дрожжи верхового брожения применяют для тёмных сортов пива и используют реже. Отдельную группу дрожжей представляют расы, которые используют для производства сладких темных сортов пива, например раса 191 К служит для сбраживания пива «Бархатное». Эти дрожжи хорошо сбраживают моносахариды, мальтозу, глюкозу, фруктозу, но не сбраживают сахарозу, лактозу и раффинозу.

В пивоварении применяются дрожжи следующих рас: [44, 47, 77, 84, 85,

158]

Раса 776 - среднесбраживающая, флокуляция средняя, способна сбраживать сусло, получаемое из ячменя с невысокой прорастаемостью, а так же пригодна для пива, изготовляемого с применением несоложёного сырья. За период главного брожения на сусле концентрацией 11 % сухих веществ синтезируют 2,7 % этанола. Биомасса увеличивается в 5 раз, способность к осветлению удовлетворительная.

Дрожжи расы 11 - сильносбраживающие, имеют хорошую способность к осветлению. Можно применять для производства пива с использованием несоложёного сырья. Раса 11 устойчива к высокому содержанию этанола. Пиво, полученное с применением этих дрожжей, имеет приятный вкус.

Дрожжи рас 41, 44 - среднесбраживающие, с хорошей способностью к осаждению и осветлению. Пиво с дрожжами этих рас отличается мягким,

|t

X , , полным и чистым,вкусом. При использовании расы 41 .образуется,меньшее,

^.»V» , " •"»'> . «ч/(Vi .*' Г » пч vw«i " '

V" количество сивушных масел.

Дрожжи расы Ш1 - сильносбраживающие, используют для сбраживания плотного сусла, устойчивы к осмотическому стрессу. Дрожжи имеют высокую скорость сбраживания на протяжении всего процесса. Хорошая флокуляционная способность, к концу брожения дрожжи оседают практическ�