Разработка технологии высокоэффективной реактивации шампанских сухих винных дрожжей

            Приточное культивирование широко применяется в производстве хлебопекарных дрожжей. Это объясняется тем, что до настоящего времени возможности процесса культивирования дрожжей существенно превышают возможности дрожжерастильных аппаратов по скорости передачи кислорода, что приводит к лимитированию процесса по кислороду. Метод приточного культивирования  позволяет переключить лимитирование по кислороду на лимитирование по углеродсодержащему субстрату и тем самым существенно повысить эффективность культивирования.

            Кроме того, реализация приточного культивирования технически более проста, поскольку исключает необходимость поддерживать постоянный объем культуры, что зачастую затруднено при использовании непрерывно-проточного (хемостатного) культивирования [21].

            Таким образом, наиболее используемым способом культивирования дрожжей является периодический с притоком питательных веществ или без него. Следует отметить, что пока периодический способ является доминирующим и в подавляющем большинстве других биотехнологических производств [1].

2. Характеристика процесса культивирования дрожжей-сахаромицетов, предназначенных для сушки.

              Лабораторная стадия. Первые стадии выращивания дрожжей проводят в лаборатории путем переноса биомассы во все возрастающие объемы культуральной среды. При этом, в зависимости от технологической схемы, принятой на каждом конкретном предприятии, варьируют число стадий, концентрацию питательной среды (разбавление сырья), температур и другие показатели. Так, на заводах Швеции, выращивание маточных дрожжей в лаборатории проводят при  температуре 30 градусов Цельсия с незначительной аэрацией, осуществляемой путем встряхивания колб в три стадии. При этом используют питательную среду, богатую сахарами (сахарозой и мальтозой), минеральными солями и ростовыми веществами. В качестве источника мальтозы применяют мальцэкстракт, источником ростовых веществ (биотина) служит тростниковая патока. На заводах Англии первые три стадии проводят без аэрации при температуре 28-30 градусов. Длительность каждой стадии – 12 часов, при этом дрожжи из стадии в стадию передают во время активного брожения. Средой является зерновое сусло плотностью 6-8% СВ.

           В Венгрии, Польше, Чехии и Словакии лабораторную стадию проводят в 3 стадии. Дрожжи при этом выращивают на солодовом сусле концентрацией 12-13% с добавлением вытяжки из солодовых ростков, автолизата дрожжей, экстрактов из помидоров, моркови, гороха и соков (картофельного, виноградного, морковного и др.) [18]. На отечественных заводах, на лабораторных стадиях дрожжи выращивают на солодовом сусле с добавлением автолизата дрожжей.

           Важно отметить, что качество готового продукта, т.е. сухих дрожжей, определяется уже на лабораторной стадии культивирования. Так, в 60-е годы в среды для выращивания маточных дрожжей вводили различные витаминные добавки (морковный, томатный и др. соки). При этом получали дрожжи, обладающие высокой генеративной активностью – было отмечено увеличение выхода дрожжей.

            Однако наряду с этим было отмечено, что качество сухих дрожжей было значительно хуже, чем на заводах, где лабораторные стадии культивирования проводили на одном солодовом сусле [17]. Выяснилось, что избыточное количество витаминов в питательной среде может приводить к нарушениям в синтезе структурных полисахаридов дрожжевой клетки. При дисбалансе витаминов возможны и более существенные изменения клеток. Так, был отмечен выход отдельных хромосом из ядра в цитоплазму [18]. Поэтому отечественным заводам было рекомендовано выращивать дрожжи в лабораторных условиях без добавок препаратов, содержащих витамины А и С. В то же время витамины группы В способствуют улучшению качества сушеных дрожжей, и, поэтому, в питательную среду рекомендуется добавлять дрожжевой экстракт.

             Стадия чистой культуры (ЧК). Выращивание дрожжей на стадии ЧК также проводят в зависимости от выбранной технологической схемы. Так, в Швеции ее проводят в 5 стадий, при перемешивании среды в трех первых и продувании небольшого количества воздуха (15 м ³ /час на 1 м³ среды) на четвертой и пятой. Средой служит меласса с добавлением мальцэкстракта. Культивирование – периодическое, без притока питательных веществ. Такая технология обеспечивает полную чистоту маточных дрожжей. Выход дрожжей составляет при 22% в пересчете на сырье, затраченное все стадии получения чистой культуры.

             На заводах Польши, Венгрии, Чехии и Словакии стадию ЧК также проводят в 5 стадий. Однако при этом на четвертой и пятой дрожжи выращивают приточным способом. Выход дрожжей при этом достигает 30%.

             На отечественных дрожжевых заводах этап ЧК проводят в 4 стадии. При этом на последней стадии культивирование осуществляют приточным способом [18].

            Товарная стадия. Товарную стадию культивирования дрожжей, предназначенных для сушки, осуществляют в больших дрожжерастильных аппаратах вместимостью от 50 до 200 кубометров. В течение многих лет  все технологические режимы выращивания дрожжей, предназначенных для сушки, разрабатывались таким образом, чтобы обеспечить максимально возможное накопление в дрожжах трегалозы – важнейшего протектора дрожжей при высушивании. Установлено, что содержание трегалозы в дрожжах, предназначенных для сушки, должно составлять не менее 11-12% СВ, в то время как на дрожжах, предназначенных для прессования содержания трегалозы обычно составляет 7-8% СВ.

          В настоящее время процесс культивирования дрожжей предназначенных для сушки отличается следующими особенностями:

• культивирование проводится на достаточно концентрированных средах при усиленной аэрации – это позволяет одновременно добиваться как высокого высокой продуктивности процесса, так и высокого содержания трегалозы и глицерина – веществ, способствующих термостойкости дрожжей;
• большую часть товарной стадии культивирование проводят так, чтобы накопить максимальное количество биомассы дрожжей;
• в последние несколько часов культивирования, проводят целенаправленную подготовку дрожжей к дальнейшему высушиванию – ряд мероприятий способствующих повышению их термостойкости и, прежде всего, способствующие накоплению повышенного количества трегалозы.

          После окончания процесса культивирования, длительность которого на товарной стадии обычно составляет  16-26 часов, получают суспензию дрожжей с содержанием СВ -4-8%, которые затем сепарируют, промывают водой и направляют в так называемый сборник дрожжевого молока, где концентрация дрожжей достигает уже 160-190 г/л. Полученные дрожжи сразу же отправляют на дальнейшую переработку (фильтрацию и высушивание). После вакуум-фильтрации получают дрожжевую массу с содержанием СВ 30-33%, которую затем экструдируют и направляют на сушку.

           В подавляющем большинстве технологических разработок дрожжи перед сушкой обрабатывают различными эмульгаторами, позволяющими клеткам лучше пережить неблагоприятное воздействие повышенных температур. В качестве эмульгаторов используются: омыленная фракция дрожжевых липидов [9], эфиры жирных кислот и сорбита, пропилегликоля, эфиры жирных кислот и глицерина и т.д. Подбору эмульгаторов и других протекторов уделяют серьезное внимание, потому что некоторые из них могут быть запрещены к использованию в той или иной стране, что создает определенные проблемы с применением готовых препаратов АСВД для получения вин [38].

4. Сушка дрожжей.

             Важными условиями получения сухих дрожжей высокого качества является специальная подготовка дрожжей к процессу выращивания, а также использование мягких условий сушки в минимальной степени воздействующих на их клетки.

            Самыми распространенными в настоящее время за рубежом является сушка в кипящем слое, а в нашей стране – распылительная сушка. Сушка в кипящем слое: биомасса дрожжей гранулируется до размеров 0,2-0,5 мм, после чего помещается в сушилки на металлические решетки и высушивается горячим воздухом, подаваемым снизу через сито. Общее время высушивания составляет обычно30-40 минут, а биомасса дрожжей прогревается до температуры 25-42 градуса. Скорость воздуха обычно находится в пределах 1-2,5 м/с, при увеличении скорости с 1 до 2 м/с продолжительность сушки уменьшается на 30-40%. При скорости воздуха около 4 м/с слой влажных дрожжей в виде гранул различных размеров переходит во взвешенное состояние. Этот метод имеет огромные преимущества перед многими другими видами сушки, поскольку обеспечивают высокую скорость высушивания, равномерность прогрева продукта, большую поверхность контакта фаз и т.д. Распылительная сушка ранее не использовалась, потому что высокая температура приводила к очень сильному ослаблению дрожжей. Но теперь, процесс обезвоживания проводят в более мягких температурных условиях, а также использование специальных условий культивирования. Подобраны условия, обеспечивающие получение АСВД с содержанием живых клеток более 90%.

5. Описание действующих технологий получения АСВД.

Хранение  основного сырья.

            Основное сырье производства – меласса, поступает на заводы в цистернах емкостью 50 тонн, из которых ее перекачивают в мелассохранилища, сделанные из листового железа, и вмещающие 500-2000 тонн мелассы. В мелассохранилищах поддерживается постоянная температура, обычно это 12 градусов, для того, чтобы избежать осахаривания мелассы.

Приготовление рабочего раствора мелассы.

           Из мелассохранилища меласса поступает в нагреватель, где горячей водой с температурой 90 градусов она нагревается до температуры 50 градусов и направляется в заторно-осветительный аппарат, где происходит осветление биомассы кислотно-холодным способом. При этом в аппарат набирают воду и мелассу (на 1 тонну мелассы требуется 0,75 м³ воды), тщательно перемешивают с помощью мешалки, после чего в аппарат засыпают хлорную известь из расчета 0,6-0,9 кг активного хлора на каждую тонну перерабатываемой мелассы в зависимости от степени её инфицированности. Размешивание продолжается 30 минут, после чего затор оставляют в покое еще 30 минут. Затем в аппарат начинают аккуратно наливать серную кислоту из расчета 6 литров кислоты на каждую тонну мелассы до получения рН 5,0 при непрерывном перемешивании. Через 30 минут мешалку останавливают, и затор оставляют отстаиваться в течение 12-14 часов, до тех пор, пока меласса не станет прозрачной. После этого, мелассу стерилизуют при температуре 140 градусов, после чего охлаждают до 40 градусов и направляют в ферментеры и дрожжерастильные аппараты на стадиях ЧК и товарной стадии.

Приготовление растворов питательных  солей.

            Питательные соли попадают в специальный аппарат, где они при непрерывной работе мешалки смешиваются с водой, растворяются в ней. После этого раствор солей стерилизуется, охлаждается и направляется в ферментеры и дрожжерастильные аппараты на стадиях ЧК и товарной стадии.

Лабораторная  стадия приготовления  дрожжей.

             Эта стадия обычно состоит из 3 этапов. Для культивирования дрожжей на лабораторной стадии используют неохмеленное солодовое сусло, подкисленное молочной кислотой до рН 4,3. Среду разливают по колбам и стерилизуют в автоклаве. Культивирование проводят периодическим способом на термостатируемых качалках. На первом этапе дрожжи исходной культуры, поддерживаемой на косяках, переносят микробиологической петлей с плотной питательной среды в колбу со 100 мл стерильного солодового сусла. Культивирование проводят 24 часа при температуре 27 градусов. На втором этапе дрожжи переносят в колбы с 500 мл стерильного солодового сусла. Культивирование проводят 24 часа при температуре 27 градусов. На третьем этапе дрожжи переносят в колбы Карлсберга с 10000 мл стерильного солодового сусла. Культивирование проводят 24 часа при температуре 27 градусов. В результате получается около 200 г сырых дрожжей, которые служат материалом для засева ферментеров на следующей стадии ЧК. 

Стадия  ЧК.

       Проводится  в 2 стадии. Согласно процессу, проводимому  на заводе Дании, на первой стадии ЧК культивирование  проводится в ферментере объемом 550 л. При этом в ферментер добавляют 40 кг мелассы, питательные соли, доводят  водой до общего объема 300 литров и стерилизуют. Культивирование проводят периодическим способом при слабой аэрации в течение 20 часов. На выходе получают около 3 кг СВ дрожжей, кроме того образуется около 9-10 литров спирта. Полученные дрожжи используются для засева на второй стадии ЧК. Ферментер на этой стадии имеет объём около 12 м³ . В него задают около 1000 кг мелассы, питательные соли, доводят водой до общего объема около 9000 литров и стерилизуют. Культивирование проводят периодическим способом при слабой аэрации в течение 12 часов. По окончании процесса культивирования накапливается около 75 кг СВ дрожжей и около 250 литров спирта.

Товарная  стадия.

               На этой стадии культивирование проводится приточным способом в больших дрожжерастильных аппаратах, сделанных из нержавеющей стали, общим объемом 200 м³ . Процесс проводится при усиленной аэрации в течение 26 часов, в результате чего накапливается 6 тонн СВ дрожжей, которые направляются на сепарацию.

Сепарация.

               Во время сепарации дрожжи выделяют из культуральной среды, промывают холодной водой, сгущают и получают дрожжевое молоко, содержащее 450 г/дм³ . Всего при переработке бражки из одного товарного дрожжерастильного аппарата получают около 27 м³ дрожжевого молока, которое направляется в специальный сборник дрожжевого молока, общим объемом 30 м³ . Для улучшения выживаемости дрожжей во время сушки в дрожжевое молоко могут добавлять различные эмульгаторы, либо это делается на стадии экструзии.

Фильтрация.

            Окончательное выделение дрожжей производят на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах, в результате чего получаются пастообразная масса дрожжей с влажностью 67-68%.

Экструзия.

            На этой стадии дрожжи подаются в бункер экструдера – специальной формовочной машины-гранулятора, где активно перемешиваются с эмульгатором (если его не добавили в дрожжевое молоко), подаваемым в виде эмульсии. Оттуда они равномерно дозируются в рабочую камеру экструдера и продавливаются через отверстия с образованием дрожжевой вермишели – в виде цилиндрических гранул размером 0,5 мм, которые немедленно направляют на сушку.