Бродильні виробництва алкогольних напоїв

Одержання напоїв шляхом спиртового бродіння — одне з найдавніших бродильних виробництв. Першими з таких напоїв були вино і пиво. До появи робіт Пастера наприкінці XIX ст. про суть процесів, що протікають при бродінні, було відомо дуже мало. Пастер показав, що бродіння без доступу повітря здійснюється живими клітинами дріжджів, при цьому цукор перетворюється в спирт і вуглекислий газ. Тоді ж було показано, що бродіння здійснюється під дією якихось речовин, що знаходяться всередині дріжджових клітин. Одне з головних нововведень в області мікробіології бродіння було запропоновано Хансеном, він виділив чисті культури дріжджів і використав їх у виробництві пива. До цього використовувались дріжджі дикого типу, які завдавали багато незручностей.

Алкогольні напої одержують шляхом зброджування цукрової сировини, у результаті утворюються спирт і вуглекислий газ. Зброджування здійснюється дріжджами роду Saccharomyces. В одних випадках використовується природний цукор (наприклад, що міститься у винограді, з якого роблять вино), в інших - цукри одержують із крохмалю, наприклад, при переробці зернових культур у пивоварінні. Наявність вільних цукрів обов’язкове для спиртового бродіння при участі Saccharomyces, тому що ці види дріжджів не можуть гідролізувати полісахариди. Утворення етилового спирту з глюкози відбувається за схемою Эмбдена — Мейергофа — Парнаса (рис. 4).

СН₂ОН СН₂ОФ СН₂ОФ СН₂ОН

О АТФ АДФ О О

Н Н Н Н Н Н

ОН Н ОН Н Н Н НО ОН

НО ОН НО ОН

Н ОН Н ОН ОН Н

D-глюкоза глюкозо-6-фосфат фруктозо-6-фосфат

АТФ

АДФ

СН₂ОФ СН₂ОФ Н₂С СН₂ОФ

│ НАД⁺ НАДH │ О

СНОН СНОН

│ Ф₁ │ Н Н НО ОН

СООФ СНО

Н ОН

1,3-дифосфогліцерат гліцеральдегід-3-фосфат фруктозо-1,6-дифосфат

АТФ

АДФ

СН₂ОФ СН₂ОН СН₂ СН₃

│ │ ║ АДФ АТФ │

СНОН СНОФ СНОФ С = О

│ │ │ │

СОО^– СОО^– СОО^– СОО^–

3-фосфогліцерат 2-фосфогліцерат фосфоенол- піруват

піруват

СО₂

СН₃ СН₃

│ │

Н – С – ОН С = О

│ НАД НАДН │

Н Н

етанол ацетальдегід

Рис. 4. Реакції метаболічного шляху Ембдена—Мейергофа—Парнаса.

У виробництві спиртних напоїв застосовують штами дріжджів Saccharomyces cerevisiae чи S. carlsbergensis. Відмінність між ними в тому, що S. carlsbergensis можуть зброджувати рафінозу, a S. сerevisiae – ні.

Пиво

Для здійснення спиртового бродіння насамперед необхідно, щоб у пивоварній сировині (як і для горілки, спирту) утворився цукор. Традиційним джерелом потрібних для цього цукрів і ферментів завжди був ячмінь, але в якості додаткових використовуються й інші види вуглеводної сировини. Ячмінний солод є основою пива. Його як і інші компоненти подрібнюють і змішують з водою при температурі до 67 °С, витримують. У процесі перемішування природні ферменти ячмінного солоду руйнують вуглеводи зерна. На наступній стадії розчин, який називають суслом, відокремлюють від нерозчинних залишків. Додавши хміль, його кип’ятять у мідних котлах. Для виробництва пива з визначеним вмістом алкоголю сусло після кип’ятіння доводять до потрібної щільності. Питома густина сусла визначається вмістом екстрагованих цукрів, які потім зброджуються. Сусло охолоджують, додають дріжджі і при 4 -7 °С проводять процес бродіння. Після закінчення бродіння дріжджі відокремлюють від пива і витримують його якийсь час для дозрівання. Після ретельної фільтрації, пастеризації й інших необхідних процедур пиво готове.

Почате з ініціативи Хансена використання індивідуальних штамів дріжджів у пивоварстві сьогодні стало нормою: це культури S. cerevisiae і S. carlsbergensis. Перші являють собою дріжджі поверхневого і глибинного бродіння, вони застосовуються у виробництві елю. Другі — дріжджі глибинного бродіння, їх використовують у виробництві легкого пива.

Хоча генетика дріжджів розвивається вже протягом багатьох років, ми лише недавно навчилися здійснювати селекцію дріжджів. Вимоги до ідеальних дріжджів будуть залежати від способу бродіння і бажаних якостей пива. До числа найбільш важливих властивостей дріжджів відносяться продуктивність, здатність формувати осад, зброджувати мальтотріозу і т.д. Приймаються до уваги і смакові якості пива. Раніше основним способом одержання штамів, які дають продукт потрібної якості, був їхній добір з існуючих пивних дріжджів. Вести добір було вигідніше, ніж займатися гібридизацією, через малу здатність пивних дріжджів до спороутворення і низкою життєздатністю аскоспор. Основним внеском біотехнології в пивоварну промисловість буде створення штамів дріжджів, здатних давати пиво з бажаними властивостями.

Вино

Необхідна умова будь-якого спиртового бродильного процесу — наявність цукру в сировині. Так, у виробництві вина використовується цукор виноградного соку. Майже усе вино у світі роблять з винограду одного виду, Vitis vinifera. Сік цього винограду— прекрасна сировина, він багатий живильними речовинами, служить джерелом утворення приємних запаху і смаку, містить багато цукру; його природна кислотність придушує ріст небажаних мікроорганізмів.

Виноробство на відміну від пивоваррння до останнього часу було засновано на використанні диких дріжджів. Єдина обробка, яку проводять до віджимання соку — прокурювання його сірчистим газом, який є інгібітором поліфенолоксидази, і попереджує окислювальні процеси і потемніння соку. Крім того, сірчистий газ придушує діяльність не винних дріжджів; це дозволяє винним дріжджам, які менш чутливі до нього, здійснювати бродіння без перешкод. При виготовленні червоного вина кісточки і шкірочка до кінця бродіння знаходяться у виноградному суслі (мусте), а біле вино роблять з чистого соку. Звичайне прокурювання сірчистим газом проводять до того, як роздавлюють ягоди, але іноді і на більш пізніх стадіях.

У табл. 5 перераховані види дріжджів, які найчастіше зустрічаються на шкірці виноградних ягід. У минулому саме ці дикі дріжджі і здійснювали спиртове бродіння. Сьогодні в тих районах, де виноробством почали займатися недавно, широко застосовуються дріжджові закваски. Пов’язаноце з тим, що бажана мікрофлора може бути відсутня а інокуляція стандартною культурою дріжджів дозволяє одержувати вина з потрібними властивостями. Крім того, кількість використання сірчистого газу обмежено законом, і це спонукує застосовувати дріжджові культури-закваски. Використання заквасок дає ряд переваг: скорочується лаг-період розмноження дріжджів, утворюється продукт із відомими властивостями, зменшується імовірність появи небажаного смаку, оскільки у процесі бродіння не беруть участь дикі дріжджі. У майбутньому використання спеціально створених штамів буде більш розповсюджене, це гарантує необхідні смакові якості вин. Змішані (природні) закваски дозволяють одержувати продукцію з повним букетом, що неможливо при роботі з індивідуальними штамами.

Таблиця 1. Дріжджі, виявлені на винограді, у виноградному суслі і вині (Kunkee, Goswell, див. Rose, 1977)

Роди і види	Джерело
Candida pulcherrima (нова назва — Metschnikowia pulcherrima)	Звичайні для сусла і вина; на винограді
С. scottii –(нова назва—Leucosporidium scottii)	Чехія, Словаків, незрілий виноград у Новій Зеландії
Debaryomyces phaffii	Виноград у провінції Коньяк
Endomycopsis lindneri	Виноград і сусло, Бразилія
Hansenula saturrius	Вино, отримане з пізно зібраного винограду
Kloeckera africana	Звичайні для винограду, сусла і вина
K. aplculata	Звичайні
Pichia fermentans	Виноград, сусло і вино
Saccharomyces acidifaciens (нині - різновид S. bailii)	Вина, що зіпсувалися, виноград, стійкі до сірчистого газу (фруктофіли)
S. bayanus (включ. S. oviformis)	Виноград, сусло і вино
S. bisporus	Виноград, утворюють мало спирту
S. carlsbergensis (нова назва— S. uuarum)	Виноград, (застосов. при вироб. легкого пива)
S. cerevisiae	Класичні винні дріжджі; найбільш розповсюджені
S. chodatal (нова назва — S. itallcus)	Виноград у Грузії (СРСР)
S. coreanus	Виноград; рідкий вид
S. elegans (нове название-S. bailii var. bailii)	Виноград і вино (фруктофил)
S. elegans vaar intermedia (нова назва — S. bailii var.)	Виноград у Бразилії
S. globosus	Виноград, виноградний сік і вино; зустрічаються рідко
S. heterogenicus	Виноград, сусло, сік; зустрічаються рідко
S. italicus	Виноград і сік, у місцевостях з теплим кліматом
S. oviformis (нова назва — S. bay-anus}	Виноград, сусло і вино; звичайний вид
S. pastorianus (нова назва— S. bayanus)	Виноград, сусло; звичайні для бродіння
S. rosei	Виноград і вино; звичайний вид
S. rouxii	Переспілий виноград
S. steineri (нове название-S. itali- cus)	Вино і виноград
Torulopsis baclllaris (нова назва — Torulopsis stellata)	Виноград і вино (фруктофіл)
Torulopsis burgeffiana (нова назва — M. pulcherrima)	Виноград і сусло

Різні смакові відтінки з’являються при витримуванні вина, добре відомо, що свій внесок вносить взаємодія з деревиною і повітрям при зберіганні в дерев’яних діжках і погребах.

Після завершення спиртового бродіння молоде вино зберігають в особливих умовах, щоб воно не зіпсувалося. Якщо вино не передбачається піддавати яблучно-молочнокислому доброджуванню, його обробляють сірчистим газом, що придушує процеси окиснення, що викликають його потемніння. До цього з вина видаляють дріжджі, щоб припинити бродіння.

Першосортні вина піддають витримці різного роду, залежно від типу вина, а більш дешеві розливають, як правило, у той же рік, коли вони отримані. Труднощі при виробленні дешевих вин звичайно пов’язані з їхньою схильністю до повторного, яблучно-молочнокислого бродіння, що розпочинається під час розливу. Якщо вино схильне до такого бродіння, його штучно викликають до розливу, а якщо ні, то придушують. При виробництві першосортних червоних вин таке бродіння навіть бажане. Воно складає природну частину процесу і відбувається при зберіганні. Цей тип бродіння здійснюється молочнокислими бактеріями, зокрема Leuconostoc, Lactobacillus і Pedicoccus. Воно не йде при низьких значеннях рН; створивши такі умови, його можна уникнути. У білих винах яблучно-молочнокисле бродіння відбувається рідше, тому що рН у них нижче. Серед нововведень у цій галузі – використання для ініціації бродіння замість бактерій іммобілізованих ферментів.

Деякі особливі сорти вин, одержують при участі гриба Botrytis cinerea. Його розвиток на ягодах приводить до їхнього зневоднювання і підвищення вмісту цукру в ягодах, що і визначає солодкий смак вина. Зараження повинне відбуватися тільки перед збором винограду. Становить інтерес і ще один процес, названий вуглекислотною мацерацією. Червоні вина, що повинні дозріти до 15 листопада в рік збору винограду, одержують особливим способом. Виноград не давлять, а поміщають цілком у бродильні чани, де тримають в атмосфері вуглекислого газу. Бродіння йде або прямо в ягодах, в анаеробних умовах, або в соці, що виділяється в результаті руйнування шкірочки вуглекислим газом. Мікробіологія цього процесу поки не досліджена.

У міцних винах частина спирту (до 12%) утворюється при зброджуванні винограду дріжджами, а частина додається. До числа таких вин відносяться портвейн, херес і мадера Подальші успіхи виноробства будуть визначатися використанням більш ефективних штамів винних дріжджів і комерційних препаратів дріжджових заквасок. Це дозволить одержувати вина особливої якості.

Спирт

Виробництво перегнаного спирту молодше, ніж неперегнаних спиртних напоїв, але і його корені губляться в століттях. Для одержання напою, що містить 40% спирту, потрібна перегонка. Її і сьогодні здійснюють у перегонних апаратах, що представляють собою модифікації пристрою, запропонованого у 1830 р. Коффі і називаються його ім’ям. Вид спиртових продуктів залежать в основному від природи сировини, а також від того, чи витримувався кінцевий продукт. У спиртовому виробництві використовуються штами Saccharomyces. Великі спиртові заводи завжди ведуть свою власну культуру дріжджів у спеціальних середовищах. Вибір штаму дріжджів при виробництві спирту визначається їхньою продуктивністю в особливих умовах сусла, що бродить. Хоча як сировину можна використовувати різноманітні продукти, деякі сорти спирту звичайно роблять з цілком визначених її видів. Так, коньяк, одержується при перегонці вина, а шотландський віскі —при перегонці пива без додавання хмелю. Інші напої — американський віскі, джин і горілку із зерна, наприклад, кукурудзи. Ром звичайно одержують з меляси цукрового буряка чи тростини. Коли сировиною служить зерно (пшениця, кукурудза), необхідно гідролізувати крохмаль до цукрів (амілазами). Однак. якщо застосовують кукурудзу чи інші зернові у виробництві віскі, то до приготування сусла безпосередньо в бродильних чанах проводять обробку крохмалю зерна ферментами солоду.

Поки вуглеводи не переведені у форму, що засвоюється дріжджами, бродіння не відбувається. Додавання гідролізуючих крохмаль ферментів прискорює цей процес. Для цього звичайно-застосовують амілазу з культуральної рідини штамів Bacillus subtilis і амілоглюкозидазу з культури грибів штамів Aspergillis niger і близьких форм. Ферменти використовуються і при підготовці сусла, і при спиртовому бродінні.

Якщо для виробництва спирту використовують мелясу, такі попередні операції не потрібні, оскільки вуглеводи в ній. містяться у формі, придатній для зброджування. Проте сировину все-таки приходиться готувати до процесу: освітляти, підігрівати і розводити водою, щоб одержати концентрацію цукру, оптимальну для бродіння. Після підготовки сировини додають культуру дріжджів і зброджують. Наприкінці, коли концентрація спирту досягне 9—11%, відокремлюють дріжджі шляхом відстоювання. Залишки їх перед перегонкою можна видалити центрифугуванням. Застосовуються два способи: кубової і безперервної перегонки (патент Коффі). Після цього продукт або відправляють на дозрівання (наприклад, віскі), або проводять завершальні операції, розливають по пляшках (джин, горілка). Для продажу спиртні напої, звичайно, розводять до стандартної концентрації в них спирту 40%.

При виробництві рому для сортів із сильним запахом звичайно застосовують штами дріжджів Schizosaccharomyces, а з менш інтенсивним — швидко працюючі Saccharomyces. До нього додають бактерії Clostridіum saccharobutyricum. Найкращий ром одержують у тому випадку, коли співвідношення бактерій і дріжджів складає 1:5. Культуру бактерій вносять, коли концентрація етанолу досягає 3,5—4,5%, а цукру—6%.

Штами дріжджів, які використовуються у спиртовій промисловості, повинні зберігати життєздатність аж до концентрації етанолу 12—15%. Перегонка — дорогий, енергоємний етап процесу. Використання дріжджів, що витримують підвищені концентрації спирту, зменшує енерговитрати на цьому етапі оскільки для досягнення однієї і тієї ж концентрації спирту треба відганяти менше води. Очікується, що робота зі створення нових штамів дріжджів, стійких до ще більш високих концентрацій спирту, буде успішною.

Сидр. Збродженний яблучний сік відомий за назвою сидр. У технології виробництва сидру і вина є багато подібного. "

Коли роблять сидр, яблука насамперед подрібнюють і віджимають сік. Найчастіше до соку додають сірчистий газ, чим придушують розвиток Kloeckera apiculata, які несприятливо впливають на смак готового сидру. Бродіння відбувається або при участі диких дріжджів, або після додавання дріжджової культури-закваски. Важливо, щоб дріжджі були здатні утворювати полігалактуронідазу, необхідну для гідролізу деетерифікованих пектинів до галактуронової кислоти, що забезпечує освітлення сидру. Для цього додають гідролізуючі пектин ферменти, включаючи полігалактуронідазу.

По завершенні бродіння сидр відокремлюють від дріжджів і освітлюють. Оскільки в сидрі є яблучна кислота, то, як і у вині, у ньому може початися яблучно-молочнокисле бродіння. Таке бродіння не йде, якщо сидр дуже кислий чи його тримають на холоді. Як і у випадку пивоваріння, розвиток виробництва сидру буде визначатися селекцією нових штамів дріжджів, що дозволяють одержувати продукти з властивостями, що відповідають смакам різних споживачів.