Разработка биотехнологий получения иммобилизованных дрожжей и их применения в бродильных производствах 05. 18. 07 Биотехнология пищевых продуктов (пивобезалкогольная, спиртовая и винодельческая промышленности) 05.
| Вид материала | Автореферат |
- Интенсификация процесса брожения методом электронно-ионной обработки (эио) пивных дрожжей, 547.73kb.
- Методические рекомендации по выполнению лабораторного и научно-исследовательского практикума, 952.7kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Молекулярная и промышленная биотехнология Специальность, 49.3kb.
- Учебное пособие по курсу "Биотехнология" для студентов фармацевтического факультета, 1364.67kb.
- Потребительское поведение на рынке функциональных пищевых продуктов приморского края, 71.92kb.
- Совершенствование биотехнологий высокоочищенной α-циклодекстринглюканотрансферазы, 372.26kb.
- Санкт-Петербургский Государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, 55.14kb.
- Особенности использования иммобилизованных ферментов в пищевой промышленности, 89.87kb.
- Совершенствование технологии производства природно-полусладких вин в условиях российской, 313.28kb.
- Микробиология пищевых продуктов специальность 111201 «Ветеринария» Пояснительная записка, 312.22kb.
а-Биокатализатор, сформированный по ранее известной методике, б-Биокатализатор, полученный по методике, разработанной в данной работе. н/и-не исследовали
Анализ содержания основных ароматических веществ в шампанском, полученном с помощью свободных и иммобилизованных дрожжей (Табл. 5), показал, что концентрации веществ, высокое содержание которых негативно отражается на качестве готового продукта (метанол, пропанол, изобутанол, уксусная кислота), были ниже на 10-17% по сравнению с шампанским, приготовленным с помощью свободных клеток дрожжей.
Таблица 5. Содержание различных ароматических веществ в шампанском, приготовленном с использованием свободных и иммобилизованных клеток дрожжей.
Вещества, мг/л | Исходный виноматериал | Шампанское | |
| Свободные дрожжи | Иммобилизованные дрожжи | ||
| Уксусный альдегид | 673,7 | 549,1 | 500 |
| Этилацетат | 20,2 | 21,4 | 22,6 |
| Метанол | 22,4 | 24,71 | 14,11 |
| Пропанол | 9,8 | 9,8 | 8,0 |
| Изобутанол | 17,3 | 17,8 | 16,3 |
| Изоамиловый спирт | 141,2 | 122,6 | 107,4 |
| Уксусная кислота | 1207,9 | 838,2 | 688,2 |
| Бутиленгликоль | 1445,5 | 843 | 679 |
| Фенилэтиловый спирт | 152,1 | 126,5 | 81,9 |
| Глицерин | 16174,5 | 13603,8 | 12300 |
1.3. Исследование свойств разработанного биокатализатора и его применение для непрерывной шампанизации вина
Исследование операционной стабильности биокатализатора при многократном его использовании в процессе шампанизации вина в бутылках, а также стабильности биокаталитических характеристик иммобилизованных клеток после их длительного хранения в замороженном виде позволило установить после экстраполяции полученных данных (Рис. 6), что расчетный период полуинактивации полученного биокатализатора составляет 360 сут, а период полуинактивации при хранении 6,5 лет. Экспериментальные данные по бродильной активности были подтверждены результатами исследований концентрации внутриклеточного АТФ в клетках иммобилизованных дрожжей.
Рис. 6. Кинетика накопления давления углекислого газа в бутылках а) при многократном использовании биокатализатора, б) при использовании биокатализатора после его длительного хранения в замороженном виде. Стрелками показана замена сброженной среды на свежую того же состава.
Известно, что начальная концентрация клеток дрожжей в процессе вторичной ферментации определяет скорость процесса брожения, поэтому было исследовано влияние концентрации иммобилизованного биокатализатора в среде на скорость сбраживания виноматериала в бутылках (Рис. 7а). Конечный уровень давления CO2 во всех образцах независимо от исходной концентрации иммобилизованных клеток был практически одинаковым (~500 кПа) после 28 сут брожения. Однако, максимальная удельная скорость накопления этанола в сбраживаемом вине была установлена при введении в среду 18 г/л биокатализатора (Рис. 7б).
Именно использование этой концентрации позволило далее установить, что при проведении непрерывной шампанизации вина (Рис. 8) продуктивность 1 г биокатализатора составляет 120 мл/сут за исследованный период времени, что в 4 раз больше, чем при шампанизации вина в бутылках (30 мл/сут). При этом качество шампанского, получаемого в непрерывном режиме, по основным характеристикам практически (Табл. 6) не отличалось от шампанского, приготовленного в бутылках с использованием того же биокатализатора (Табл. 4).
 |   18 г/л |
Рис. 7. Кинетика накопления CO2 в бутылках в процессе сбраживания виноматериала (а) и зависимость удельной скорости накопления этанола в сбраживаемой среде от концентрации биокатализатора (б). Символы , , ▼, Ñ и ¢ обозначают следующие концентрации биокатализатора в вине: 0,45; 0,9; 9; 18 и 36 г/л, соответственно.
Рис. 8. Результаты проведения процесса резервуарной непрерывной шампанизации вина с применением клеток дрожжей, иммобилизованных в криогель ПВС
Таблица 6. Характеристики шампанского, приготовленного резервуарным непрерывным способом с применением дрожжей, иммобилизованных в криогель ПВС
| Продолжи-тельность брожения, сут | Давление СО2, кПа | Остаточная концентрация сахара, г/л | Концентрация спирта, об. % | Титруемая кислотность, г/л | SO2, мг/л |
| 18 | 470 | 1,2 | 11,8 | 7,4 | 83,4 |
| 36 | 470 | 1,3 | 11,7 | 7,3 | 83,8 |
| 54 | 460 | 1,4 | 11,7 | 7,4 | 83,7 |
Для оценки механической прочности разработанного биокатализатора исследовали модуль упругости гранул (на сжатие) до и после их использования в процессе непрерывной шампанизации вина (Табл. 7). Было установлено, что разработанный биокатализатор обладает существенно улучшенными показателями механической прочности по сравнению с биокатализатором на основе Са-альгинатного геля.
Экономические расчеты показали (Табл. 8), что при использовании биокатализатора, предложенного в данной работе, для получения 10 л шампанского затраты, связанные с получением необходимого для этого количества препарата, будут в 2-17 раз меньше, чем при использовании для тех же целей известных сегодня сухих, суспензионных или иммобилизованных препаратов шампанских дрожжей.
Таким образом, разработанный биокатализатор, несомненно, обладает высокой конкурентоспособностью на внутреннем и внешнем рынках, так как позволяет значительно удешевить производство шампанского.
Таблица 7. Модуль упругости гелей и криогелей, полученных из различных полимеров
| Носитель | Диаметр гранул, мм | Модуль упругости, кПа |
| Са-алинатный гель (2,0% масс.) (Chang, 2001) | 2,0 | 1,7±0,2 |
| Криогель ПВС (10% масс.), полученный по ранее известной методике (Рис. 1А) | 1,5-3,5 | 52,5±6,3 |
| Криогель ПВС (10% масс.), полученный по разработанной технологии - до брожения - после использования в процессе непрерывной шампанизации вина | 3,5-5 | 63,4±3,5 65,5±3,3 |
Таблица 8. Затраты на препарат дрожжевых клеток, количество которого необходимо для шампанизации 10 л вина
| Препарат | Что собой представляет | Дозировка, г (по сух. веществам) | Цена, руб |
| «Pasteur Champagne (Davis 595)», (Red Star Yeast Company LLC, США) | Сухие шампанские дрожжи | 3,5 | 15,50 |
| «LALVIN EC 1118» (Lallemand, Канада) | Сухие шампаские дрожжи | 5 | 33,75 |
| «Wyeast 4021» (Wyeast Laboratories, США) | Жидкая культура шампанских дрожжей | 7 | 44,40 |
| «Immoferm» (Erbloh Getranketech Geisenheim, Германия) | Высушенные иммобилизованные в Са-альгинатный гель дрожжи | 4 | 159, 84 |
| Разработанный в данной работе | Дрожжи, иммобилизованные в криогель ПВС | 4 | 8,10 |
2. Применение разработанного биокатализатора для решения различных технологических задач в виноделии
2.1. Получение вина по белому и красному методам при использовании свободных и иммобилизованных клеток дрожжей S. vini
Так как при шампанизации вина разработанный биокатализатор характеризовался эффективной работой, было решено апробировать его для реализации других задач в виноделии, в частности, для получения виноградных вин.
Так же, как и ранее для шампанских дрожжей, была изучена кинетика роста винных дрожжей. Полученная дрожжевая биомасса была иммобилизована по способу, разработанному для шампанских дрожжей. Было показано (Рис. 9), что концентрации спирта и сахарозы в полученном вине, приготовленном с использованием как иммобилизованных, так и свободных клеток разных штаммов винных дрожжей, практически одинаковы, немногим большая концентрация спирта и меньшая сахарозы отмечалась в пробах с вином, приготовленным с помощью иммобилизованных дрожжей.
Рис. 9. Динамика накопления этанола (а) и потребления сахарозы (б) при сбраживании виноградного сока свободными и иммобилизованными клетками дрожжей. Дрожжевые штаммы S. vini, использованные в этих экспериментах (свободные и иммобилизованные клетки обозначены черными и белыми символами, соответственно): , - 47 K; ▼, - Кокур-3; , - Ленинградская; , -Кислотопонижающая, , - Массандра-3.
Анализ основных органических кислот в полученных винах не показал существенных отличий при использовании, как свободных, так и иммобилизованных клеток (Табл. 9). Однако, более глубокий анализ качества полученного вина позволил установить, что, концентрации высших спиртов (пропанола, изобутанола, изоамилового спирта), метанола, и этилацетата, высокие концентрации которых нежелательны для вина, были меньше в 1,5-150 раз в вине, полученном с использованием разных штаммов иммобилизованных винных дрожжей по сравнению с вином, приготовленным при использовании тех же клеток в свободном состоянии (Табл. 10).
Таблица 9. Концентрация органических кислот в белом вине, полученном с использованием разных штаммов свободных и иммобилизованных клеток дрожжей
| Кислоты, мг/л | Штамм дрожжей S. vini | |||||||||
| 47 К | Кокур-3 | Массандра-3 | Ленинградская | Кислотопо-нижающая | ||||||
| С | И | С | И | С | И | С | И | С | И | |
| Винная | 3566 | 3326 | 3387 | 3355 | 3494 | 3264 | 3332 | 3337 | 3483 | 3438 |
| Яблочная | 1709 | 1375 | 1729 | 1842 | 1841 | 1939 | 1013 | 1896 | 1617 | 2139 |
| Молочная | 736 | 535 | 620 | 534 | 463 | 487 | 1288 | 575 | 427 | 525 |
| Янтарная | 1820 | 1512 | 1256 | 1285 | 1483 | 1252 | 1410 | 1276 | 1160 | 1137 |
| Уксусная | 391 | 371 | 377 | 398 | 368 | 357 | 421 | 389 | 415 | 422 |
| Лимонная | 83 | 66 | 64 | 54 | 57 | 57 | 61 | 60 | 73 | 64 |
| Фумаровая | 27 | 19 | 29 | 26 | 25 | 27 | 22 | 27 | 16 | 23 |
И - Иммобилизованные дрожжи, С-свободные клетки
Таблица 10. Содержание различных ароматических веществ в столовом белом вине, приготовленном с использованием различных штаммов свободных и иммобилизованных клеток винных дрожжей
| Основные ароматические компоненты вина, мг/л | Штамм дрожжей S. vini | |||||||||
| 47 К | Кокур-3 | Массандра-3 | Ленинградская | Кислотопо-нижающая | ||||||
| С | И | С | И | С | И | С | И | С | И | |
| Этилацетат | 6,6 | 0,7 | 53,1 | 0,3 | 23,6 | 14,2 | 50,7 | 10,0 | 62,5 | 15,3 |
| Метанол | 18,6 | 12,0 | 57,6 | 12,0 | 34,2 | 21,6 | 60,6 | 22,8 | 51,0 | 35,4 |
| Пропанол | 4,5 | 2,5 | 31,3 | 3,5 | 11,0 | 8,3 | 25,3 | 6,0 | 25,3 | 9,2 |
| Изобутанол | 7,3 | 3,2 | 62,1 | 3,0 | 20,8 | 12,7 | 61,8 | 11,9 | 46,2 | 17,8 |
| Изоамиловый спирт | 60,4 | 33,0 | 410,2 | 31,0 | 162,7 | 114,2 | 422,1 | 90,8 | 417,5 | 134,6 |
| Глицерин, г/л | 11,3 | 9,0 | 9,1 | 9,1 | 12,3 | 13,9 | 9,9 | 11,6 | 9,9 | 9,7 |
| Дегустацион-ная оценка | 7,80 | 8,00 | 7,80 | 8,00 | 7,60 | 7,70 | 7,80 | 7,90 | 7,65 | 7,80 |
И - Иммобилизованные дрожжи, С-свободные клетки
Дегустация образцов белых столовых вин, полученных с использованием свободных и иммобилизованных клеток винных дрожжей, показала преимущество использования клеток в иммобилизованном виде (Табл. 10). Образцы вина, полученного с использованием иммобилизованных клеток дрожжей штаммов S. vini «47К», «Кокур-3» и «Ленинградская», были оценены экспертами производственной дегустационной комиссии Национального института винограда и вина «Магарач» (г. Ялта, АР Крым) как образцы очень хорошего качества с развитыми сортовыми особенностями в букете и слаженным гармоничным вкусом (Табл. 10).
Аналогичные результаты были получены и при использовании разработанного биокатализатора в технологии получения красных вин (Табл. 11). Органолептическая оценка, также как и ранее для шампанских и белых вин, была выше у образцов вина, полученного при использовании иммобилизованных клеток. Вина характеризовались хорошим качеством с развитым, характерным для красных столовых вин, богатым букетом и слаженным вкусом.
Таблица 11. Содержание различных ароматических веществ в столовом красном вине, приготовленном с использованием различных штаммов свободных и иммобилизованных клеток винных дрожжей
| Основные ароматические компоненты вина, мг/л | Штамм дрожжей S. vini | |||||
| 47 К | Каберне-5 | Массандра-3 | ||||
| С | И | С | И | С | И | |
| Этилацетат | 18,3 | 18,2 | 24,8 | 13,0 | 18,9 | 18,1 |
| Метанол | 29,0 | 28,6 | 52,4 | 27,0 | 48,6 | 46,8 |
| Пропанол | 37,9 | 34,6 | 31,35 | 9,7 | 38,9 | 37,7 |
| Изобутанол | 37,6 | 32,1 | 37,0 | 6,8 | 37,1 | 34,3 |
| Уксусная кислота | 125,0 | 91,0 | 315,0 | 104,0 | 216,0 | 175,9 |
| Изоамиловый спирт | 166,0 | 146,5 | 329,3 | 158,7 | 289,8 | 166,9 |
| Глицерин, г/л | 11000 | 10500 | 10700 | 10300 | 11000 | 10700 |
| Дегустационная оценка | 7,80 | 7,90 | 7,70 | 7,80 | 7,60 | 7,75 |
И - Иммобилизованные дрожжи, С-свободные клетки