Технология производства сухих дрожжей

10

Содержание

Введение

1. Общие сведенья о дрожжах

1.1 История становление производства дрожжей

1.2 Современная классификация дрожжей

1.3 Морфология дрожжевой клетки

1.4 Химический состав дрожжей

2. Технология производства сухих дрожжей

2.1 Этапы производства

2.2 Технологическая схема дрожжевого производства

2.3 Основные способы выращивания дрожжей

2.4 Технологический режим

2.4.1 Состав среды

2.4.2 Состав питательных солей

2.4.3 рН выращивания дрожжей

2.4.4 Температура выращивания дрожжей

3. Промышленное применение сухих дрожжей

4. Экологическая проблема, связанная с производством сухих дрожжей, и пути ее решения

5. Перспективы развития дрожжевого производства

Список используемых источников

Введение

Дрожжевые организмы являются одноклеточными грибами. Они распространены по всему. Земному шару -- встречаются в почве, воде, в различных пищевых продуктах, на поверхности фруктов, ягод, в нектаре цветков, в соках, сочащихся из деревьев, и т. д. Человек с давних времен пользовался продуктами брожения для своих практических целей, не подозревая участия в них дрожжевых организмов. Известно, например, что вино производилось ассирийцами за 3500 лет до нашей эры. Методика осолаживания и пивоварения была высоко развита у вавилонян, хотя они не знали о существовании ферментов или дрожжей и их роли в этих процессах. В 1680 г. Антоний ван Левенгук, рассматривая «осадок» дрожжей, образующийся во время сбраживания, через свое увеличительное стекло, обнаружил, что он состоит в основном из типичных овальных клеток. Однако прошло еще более 150 лет, когда Луи Пастер (1857) доказал, что дрожжи - это живые организмы, непосредственно ответственные за алкогольное брожение, открыв, таким образом, дорогу современным научным исследованиям дрожжей. Промышленное применение дрожжей в традиционных отраслях мало изменилось с течением веков. Дрожжи все еще играют главную роль в следующих производствах: 1) в хлебопекарной промышленности; 2) в производстве спирта, алкогольных напитков и пива. В последующие годы к этим старинным отраслям применения дрожжей были добавлены другие. дрожжи используются: 3) как ингредиенты продуктов питания или кормов либо в натуральном виде, либо чаще после автолиза в виде дрожжевых экстрактов; 4) как продуценты витаминов (особенно комплекса В, аминокислот и др.) для фармацевтических целей, а также в виде белково-витаминного концентрата; 5) для получения нуклеиновых кислот, ферментов и других веществ. Продукция, получаемая во всех перечисленных производствах, ее качество и количество зависят, с одной стороны, от полноценности используемого сырья и степени совершенства технологического процесса, с другой - от наследственных особенностей производственных рас дрожжей, от их ферментативных и других свойств. Применяемые в различных производствах расы дрожжей в значительной степени различаются между собой. Существенные различия имеются и среди производственных рас, применяемых в одном и том же производстве -- хлебопечении, спиртовом производстве, виноделии и т. д. Эти расы наряду с положительными свойствами имеют и отрицательные, снижающие производственные показатели.

В сухих дрожжах при низкой влажности дрожжевая клетка находится в `спящем” состоянии и может сохраняться длительное время. Такие дрожжи известны как “сухие активные дрожжи” и представляют собой сферические ранулы около 1 мм в диаметре. Для их получения дрожжевая масса высушивается до влажности 7-8%. Сухие дрожжи представляют собой гранулы различного диаметра, внешний слой которых состоит из дрожжевых клеток в “спящем” состоянии и является защитным от влияния окружающей среды. Поэтому для восстановления активности дрожжей их необходимо растворить в воде.

Технология производства инстантных дрожжей заключается в использовании специального метода быстрой сушки с меньшим повреждением клеточной мембраны и консервации дрожжей вакуумом, конечная влажность продукта составляет не более 5%. Быстродействующие дрожжи были специально созданы для удобного использования. Их необходимо смешивать непосредственно с мукой без предварительного разведения в воде, что значительно убыстряет и упрощает процесс приготовления дрожжевого теста.

За последние 30--40 лет в генетике и селекции дрожжей достигнуты большие успехи. Теперь уже не может быть сомнений в том, что в селекции дрожжей наиболее эффективными являются генетические методы. Задача заключается только в том, какие из известных генетических методов следует применить в каждом конкретном случае в зависимости от специфики объекта исследования и поставленной задачи. Спорогенные дрожжи как одноклеточные организмы имеют ряд преимуществ для генетических и селекционных исследований: 1) они принадлежат к эукариотам, что позволяет проверить общность многих концепций молекулярной генетики; 2) наличие полового процесса и образование гамет в результате мейоза, а также существование аллелей типов спаривания позволяют широко проводить гибридизацию различных рас и видов дрожжей; 3) получаемые из одиночных спор гаплоидные культуры являются, как правило, жизнеспособными, что дает возможность проводить тетрадный анализ гибридов; 4) у дрожжей рода Saccharomyces получено большое количество мутаций, установлены группы сцепления и составлены генетические карты хромосом. Генетические маркеры (мутации) могут широко и успешно использоваться в различного рода генетических исследованиях, а также при проведении селекционных работ; 5) путем скрещивания вегетативных клеток разной плоидности, принадлежащих к различным типам спаривания, можно получать полиплоидные формы более высокой плоидности; 6) показана возможность получать у спорогенных дрожжей (Saccharomyces и Schizosaccharomyces).[2]

1 Общие сведенья о дрожжах

1.1 История становление производства дрожжей

Человек на протяжении всей своей эволюции сталкивался с разрушительным действием разнообразных болезнетворных организмов, однако именно дрожжи были, по-видимому, первыми микроорганизмами, которые человек стал использовать для удовлетворения своих потребностей. Дрожжи с полным основанием можно рассматривать как одно из многочисленных орудий труда древнего человека. Первое упоминание об использовании человеком дрожжей, связанное с производством одной из разновидностей кислого пива (так называемой «бузы») в Египте, относится к 6000г. до н. э. Это пиво вырабатывали сбраживанием пасты, полученной при раздавливании и растирании проросшего ячменя. Последующие несколько тысячелетий процессы приготовления пива и вина, с одной стороны, в выпечки хлеба из дрожжевого теста -- с другой, развивались, видимо, параллельно. К 1200 г. до н. э. в Египте была уже хорошо известна разница между хлебом из кислого и пресного теста, а также польза от применения вчерашнего теста для заквашивания свежего и для сбраживания вина. Из Египта технология пивоварения и хлебопечения была завезена в Грецию, а оттуда в древний Рим и Римскую империю. О пивоварении в период после падения Римской империи сохранилось очень мало сведений. Однако известно, что в ХIII и ХIУ вв. пивоварение было широко распространено в монастырях Северной Европы. Документы сообщают, что в Германии в это время приготовлением пива занимались 400--500 монастырей, а в Англии еще в 1188 г. Генрих II ввел первый зафиксированный в истории налог на пиво. О стране, в которой впервые появились спиртные напитки, остается только строить предположения. Имеются сведения об употреблении их в Китае в 1000 г. до н. э.; известно также, что получение виски было налажено в Ирландии уже в ХII в. Считается, что процесс производства спирта завезен в Европу из стран Среднего Востока: в пользу такого предположения свидетельствует тот факт, что слово «алкоголь» арабского происхождения опять-таки производство спиртных напитков было связано, очевидно, с религиозными учреждениями: одно из самых ранних упоминаний о виски в Шотландии относится к изготовлению его при монастыре Джона Кора в 1494 г. (табл 1).

Основные этапы в изучении и практическом использовании пивных дрожжей.

Выяснение структуры дрожжей стало возможным благодаря изобретению микроскопа, и первое описание принадлежит Антони ван Левенгуку (1680 т.). Однако в то время никто не предполагал, что структура, описанная как дрожжи, является живым организмом. Теперь трудно определить, кто из ученых первым высказал мысль о том, что дрожжи - живые организмы, которые вызывают спиртовое брожение, наблюдаемое при изготовлении вина и пива. Виталистические теории процесса брожения были выдвинуты в конце XYIII в., а в 1818 г. Эркслебен предположил, что дрожжи ответственны за спиртовое брожение, Однако общепризнано, что лишь работа Пастера, опубликованная им в Etudes sur Vin в 1866 г., окончательно развеяла сомнения о роли дрожжей в сбраживании сахаров и образовании спирта. Эта работа представляет собой веху в развитии микробиологии. другим важным событием стало получение Хансеном чистой дрожжевой культуры из одной клетки в 1881 г. Использование чистых культур послужило основой для развития таксономии и физиологии дрожжей и других микроорганизмов. В 1897 г. Бухнер путем растирания дрожжей получил бесклеточный экстракт, который оказался способным превращать сахара в спирт; тем самым был заложен один из краеугольных камней современной биохимии. Последующая работа в этом направлении внесла значительный вклад в изучение метаболического пути Эмбдена - Мейергофа - Парнаса (ЭМП). С тех пор дрожжи стали излюбленным объектом разного рода физиологических я биохимических исследований. Особого интереса с точки зрения приготовления спиртных напитков заслуживает установление Эрлихом в 1906 г. связи между метаболизмом аминокислот и синтезом «сивушных масел» ключевой группы органолептических соединений, вырабатываемых дрожжами. Первые успехи в области генетики микроорганизмов также были достигнуты при изучении дрожжей. Смена гаплоидной и диплоидной фаз в жизненном цикле дрожжей была открыта Винге в 1935 г. воспроизведении дрожжей.[1]

1.2 Современная классификация дрожжей

Хотя характерная почкующаяся форма дрожжей была зафиксирована еще ван Левенгуком в 1680 г., более детальное описание и идентификация дрожжей продолжали оставаться сложной задачей. Поскольку у вегетативных форм большинства дрожжей нет каких-либо характерных морфологических особенностей, их нелегко идентифицировать путем визуального наблюдения. Первоначально название Saccharomyces употреблялось по отношению ко всем дрожжам, выделенным из спиртных напитков, и Мейен в 1837 г. различал в соответствии с их источником три вида Saccharomyces: S vini -- из вина, S.cerevisiae-- из пива и S. pomorum -- из сидра. Половые споры у дрожжей были обнаружены в 1837 г. Шванном, но только в 1870 г. к роду Saccharomyces стали причислять исключительно такие дрожжи, которые образуют споры.

По современной системе классификации дрожжи делятся на две группы: споровые и бесспоровые. В основу такого деления положены их физиологические признаки и способы размножения. Бесспоровые дрожжи -- эта группа объединяет дрожжевые грибки, способные к образованию спор при неблагоприятных условиях. К этой группе относятся дрожжи рода сахаромицес, используемые в процессе производства хлебопекарных дрожжей. Они активно сбраживают сахара при отсутствии кислорода. Размножаются при температуре 28--ЗО °С. Бесспоровые дрожжи -- эта группа объединяет дрожжевые грибки, неспособные к образованию спор. К этой группе относятся дрожжи родов кандида и торула, используемые в производстве кормовых дрожжей. Эти дрожжи слабо сбраживают сахара без кислорода, а при наличии его активно размножаются. Обе группы дрожжей включают ряд видов. Хлебопекарные дрожжи принадлежат к виду сахаромицес церевизее. Кормовые дрожжи принадлежат к видам кандида тропикалес и торулопсис утилис. Вид - это основная единица в систематике. Но в производстве имеются еще более мелкие единицы деления организмов - расы. Представители разных рас различаются своими производственными особенностями. Так, среди дрожжей сахаромицетов вида церевизее имеются организмы, отличающиеся один от другого своими производственными особенностями: слабо сбраживающие сахара и сильно сбраживающие, быстро размножающиеся и медленно и т. д. Таким образом, в каждом бродильном производстве употребляются свои дрожжи, свои расы дрожжей.

Для хлебопечения применяют обычно дрожжи, обладают, соединений большой бродильной энергией и хорошей подъемной силой, т. е способностью увеличивать объем теста в результате выделения газов при брожении; в процессе дрожжевого производства эти дрожжи быстро размножаются. В настоящее время на мелассово-дрожжевых заводах используют в основном расы № 7 и 14 и на некоторых -- расу ХI ЛБД. Эти расы были выделены из производственных дрожжей разных заводов. Раса №7 «Томская» выделена в 1939 г. из прессованных товарных дрожжей Томского дрожжевого завода. Клетки почты круглые, слегка овальные, мелкие размером (6-8)*(5-6) мкм, почкование прямое, почки круглые. Консистенция готовой продукции (прессованные дрожжи) ломкая при влажности 72 - 73 %, что не выгодно для заводов. Раса № 4 выделена в 1958 г. Клетки овальные или круглые размером (7-11)* (6-8) мкм, имеют хорошо видимые вакуоли. Консистенция готовой продукции ломкая при влажности 74-75%. Обладает очень активным комплексом бродильных ферментов. Раса ХI ЛБД выделена в 1949 г. Клетки продолговатые, или эллиптические, круглые размером (8--17) Х (3,6--5,6) мкм; почки продолговатые, с хорошо видимыми вакуолями. Консистенция готовой продукции ломкая при влажности 74--75%, бродильные ферменты активные.

1.3 Морфология дрожжевой клетки

Клетки дрожжей сахаромицетов круглые, овальные и яйцевидные размером (3-8)*(6-14) мкм. Клетки дрожжей кандида продолговатые или удлиненные, иногда круглые, длиной 6-14 мкм, шириной з-6 мкм. Клетки дрожжей торула слегка круглые удлиненные длиной 3-4 мкм, шириной 2-3 мкм (см. рис.1).

сахаромицеты кандида торула

Рис.1 Форма клеток дрожжей разных видов

Дрожжевая клетка, как клетки большинства микроорганизмов, состоит из оболочки, протоплазмы, ядра, вакуоли, клеточных структур- рибосом, митохондрий, запасных включений - гликогена и волютина (см. рис. 2).

Рис.2 Строение дрожжевой клетки: 1-оболчка; 2-ядро; 3-митохондрии;4-рибосомы; 5-гликоген; 6- волютин; 7-протоплазма;8-вакуоль

Оболочка расположена снаружи дрожжевой клетки. Она имеет пористую структуру, состоит из клетчатки (углеводов). Внутренняя часть клетки -- протоплазма (тело клетки) - состоит в основном из белков. Внутри протоплазмы расположены клеточные структуры - рибосомы и митохондрии.

Рибосомы -это мелкие круглые частицы, которые трудно рассмотреть даже в электронный микроскоп. В рибосомах происходит синтез белка. Митохондрия -- это удлиненные, более крупные частицы, видимые в обычный оптический микроскоп. Длина их 1--2 мкм. В них происходят реакции, обеспечивающие клетку энергией.

Ядро видно в дрожжевой клетке очень плохо, только при направляет а регулирует основные процессы в клетке: обмен веществ, размножение, передачу наследственных признаков. У дрожжей ядро окружено ядерной оболочкой. Вакуоль это пузырек, находящийся в протоплазме, заполненный клеточным соком. В растворенном виде здесь находятся соли, металлы, сахара и некоторые жиры и белки. В зависимости от возраста клетки и ее упитанности в ней в виде капельных включений могут находиться так называемые резервные или запасные питательные вещества гликоген, жир, волютин. Дрожжи размножаются двумя способами: вегетативным и половым. К вегетативному способу относят размножение делением и почкованием. При делении внутри клетки образуется перегородка, и клетка распадается на две новые. При почковании на клетке образуется в начале небольшой вырост, который, постепенно увеличиваясь, образует почку. Затем почка отделяется от материнской клетки, в результате чего образуются две клетки. При половом размножении у дрожжей внутри клетки образуется одна, две, три ил и четыре споры. Споры высыпаются из клетки. При благоприятных условиях оболочка споры лопается, и образуется молодая клетка, которая с другой такой же клеткой, образовавшейся из споры. Это и есть половой процесс у микроорганизмов. Клетка, получившаяся после слияния содержимого двух спор, начинает делиться или почковаться, т. е. размножается тем способом, который свойствен данному виду дрожжей. Споры у дрожжей образуются при неблагоприятных условиях. Они выдерживают высокую температуру (70-80⁰ С), тогда как дрожжевые клетка при этом погибают. Дрожжи кандида и торула спор не образуют.[1]

1.4 Химический состав дрожжей

Химический состав дрожжей непостоянен: он зависит от физиологического состояния дрожжевой клетки, расы дрожжей, состава питательной среды.. Относительная плотность (уд.вес) хлебопекарных дрожжей 1,100, дрожжевой взвеси с содержанием 17,22% сухих веществ -- 1,0566, а с содержанием 23,71 % сухих веществ -- 1,0821. Теплоемкость сухих дрожжей 0,664, теплотворная способность 1 кг сушеных дрожжей по Шюлейну составляет 4520 кал; по Финку она колеблется в пределах 4808--5066 кал для кормовых дрожжей. Принято считать, что дрожжевые клетки в среднем содержат 67% воды и 3З% сухого вещества. Вода с растворенными в ней минеральными и органическими веществами проникает в клетку и, очевидно, все важные жизненные реакции происходят в водном растворе: свободная вода участвует в процессах обмена веществ, связанная вода удерживается белковыми молекулами при помощи водородных связей и, таким образом, являются частью структуры протоплазмы дрожжевой клетки. Распределение влаги в прессованных дрожжах зависит от состава дрожжевых клеток. Так, при наличии 75% влаги распределение ее в бруске - внутри или нее клеток будет изменяться, причем внеклеточной влаги будет тем меньше, чем больше ее содержится в самих дрожжевых клетках. В дрожжевых клетках содержание влаги (в %) колеблется в следующих пределах: Номер образца 1 2 3 4 5 6 Сухие вещества 30 31 32 33 34 35 Влага 70 69 68 67 66 65 В прессованных дрожжах при содержании 75% влаги и 25% сухих веществ внутри клеток будет содержаться разное количество влаги в зависимости от состава дрожжевых клеток Номер образца 1 2 3 4 5 6 Сухие вещества 25 25 25 25 25 25

Влага внутри клетки 58,25 55,65 53,13 50,76 48,5 46,4 вне клеток 18,75 19,35 21,87 24,24 26,48 28,6 Элементарный состав дрожжей с содержанием 55 % белков включает 46% углерода, 6,9% водорода, 9,1% азота, 30% кислорода в 80/о неорганических веществ, в основном калия и фосфора. Однако состав сухих веществ лебопекарнь1х дрожжей (в %), как видно из данных, приведенных ниже, значительно колеблется. Азот, общее количество 6-8 Белок (N*6,25) 37-50 Сырой жир 1,5-2,5 Безазотистые вещества 35-45 Зола 6-10 Соотношение белков и углеводов зависит от расы дрожжей и от направленного его изменения в процессе выращивания дрожжей. Азотсодержащие вещества дрожжей представляют собой белковые вещества (63,8%), нуклеиновые вещества (26,1 %), амиды и пептоны (10,1 %). Белки состоят из аминокислот, число которых достигает 24. Соотношение аминокислот в разных белках различно. Около 64% общего азота дрожжей входит в состав белков. В дрожжах содержится около 0,1% глютатиона (трипептида) состоящего из гликоколя, цистеина и глутаминовой кислоты. Глутатион может находиться в окисленной или восстановленной форме, при этом его сульфгидрильная группа SН активирует протеазы. Ферменты дрожжей.

Непременной составной частью протоплазмы дрожжевых клеток являются ферменты, осуществляющие разнообразные биохимические превращения в дрожжевой клетке. Известно, что деятельность ферментов может проявляться внутри клеток - это эндоферменты; ферменты, действующие вне клеток, называются экзоферментами. Особое значение в жизнедеятельности дрожжей имеют оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные ферменты, трансферазы -- ферменты, осуществляющие перенос различных групп с одной молекулы на другую, катализирующие взаимопревращения различных сахаров, и гидролазы, гидролизирующие ферменты, которые производят расщепление веществ при непременном участии воды, присоединяющейся к образующимся более простым соединениям. Весь комплекс ферментов дрожжевой клетки обозначают известным в ферментологии термином голоферменты, при этом устойчивый к нагреванию комплекс называют коферментом, а неустойчивый -- апоферментом. По этой терминология процессы брожения будут вызываться в дрожжах голозимазой, состоящей из козимазы и апозимазы. Козимаза тесно связана с апозимазой и является активатором для этой последней. Апозимаза представляет собой термолабильную часть энзимного комплекса, собственно зимазу, сбраживающую сахара. Она включает ряд энзимов, которые и вызывают процессы брожения. Многие из них еще не удалось выделять из дрожжевого сока.

Белки

По данным элементарного анализа, белок дрожжей содержит 15-18% азота, 6,5-7,З% водорода, 50-55% углерода, 21-24% кислорода, 0-2,4% серы. Основным показателем состава белка является именно аминокислотный состав макромолекул. За последние годы состав аминокислот в белке быстро определяется путем гидролиза белков и хроматографического анализа белкового гидролизата, что осуществляется автоматически специальными аппаратами через 2--4 ч. Витамины дрожжей.

Известно, что дрожжевые клетки богаты витаминами. Однако только в последние годы благодаря развитию учения о витаминах и усовершенствованию методов их определения выявилось содержание витаминов в дрожжах и их состав. Все дрожжи содержат витамины группы В и эргостерин провитамин D. Соотношение отдельных компонентов витаминов комплекса В в различных дрожжевых грибах неодинаковое. Оно колеблется в широких пределах в дрожжевых грибах разного рода и зависит у одних и тех же дрожжей от условий их культивирования. Установлено, что дрожжевые клетки содержат витамин В₁- тиамин; витамин В₂ -рибофлавин; витамин В₃ - пантотеновую кислоту; витамин В₅- РР- никотиновую кислоту; витамин В₆-- пиридоксин; витамин Н биотин; инозит; парааминобензойную кислоту. Некоторые дрожжевые грибы розового цвета содержат бетакаротин -- провитамин А. Витамины играют большую роль в биохимических процессах, свойственных дрожжевым клеткам.

Жиры

Жиры дрожжи являются смесью истинных жиров (глицеридов жирных кислот) с фосфолипидами (лецитин, кефалин) и стеролами (эргостерол). Жир дрожжей состоит, главным образом из насыщенных кислот жирного ряда: пальмитиновой 75% и стеариновой 25%. Некоторые исследователи находят в дрожжах и другие кислоты лауриновую и олеиновую. В состав жира дрожжей входит также неомыляемый жир -- эргостерин -- провитамин D. Углеводы

В дрожжах содержится 35--40% углеводов к массе сухих дрожжей. Они входят в состав протоплазмы и оболочки дрожжевых клеток. В дрожжах содержатся полисахариды гликоген, маннан - дрожжевая камедь - и глюкозан, который считали целлюлозой. Зола

Зола дрожжей составляет около 6--10% общей массы сухого вещества дрожжей. Состав золы колеблется в зависимости от условий их культивирования (табл. 1).

Таблица № 1

Зола дрожжей состоит примерно наполовину из фосфора; большая часть фосфорной кислоты связана в дрожжах с органическими соединениями. Общее количество Р₂О₅ у сахаромицетов колеблется в пределах от 3,2 до 4,4% к сухому веществу.

2 Технология производства сухих дрожжей

2.1 Этапы производства дрожжей

В процессе выращивания дрожжей из одной клетки получают несколько тонн продукта.

Начальная стадия выращивания проходит в микробиологической лаборатории. Прежде всего, с помощью микроскопа отбираются здоровые и невредимые клетки нужных дрожжей. Выбранную клетку помещают в стерильную пробирку, в которой уже находятся все необходимые для роста клетки ингредиенты.

В пробирке клетка начинает размножаться почкованием. Когда количество размножившихся клеток достигает определенной массы, их переносят в стерильную стеклянную колбу. Колба содержит жидкую смесь, называемую питательной средой. В этой среде есть все необходимое для дальнейшего роста клеток. Когда дрожжевая клетка многократно размножилась, начинается процесс брожения. Содержимое Колбы с дрожжевыми клетками переносят в простерилизованные чаны для брожения. В них готовят намного больше питательной среды, что даст возможность дрожжевым клеткам размножаться дальше. Основным питанием для дрожжей становится меласса, в качестве источника углеводов, добавляют также витамины и минеральные вещества.

Растущие и размножающиеся клетки поступают по очереди в бродильные чаны с все большим объемом. Объем последнего в технологическом процессе бродильного чана - 100 м³ В конце брожения количество дрожжей измеряется тоннами.

После процесса брожения дрожжевые клетки поступают к промывным аппаратам, где промываются и отделяются от питательных веществ, с помощью сепараторов. Получается чистая и активная довольно густая дрожжевая масса.

Затем дрожжевую массу отделяют от лишней воды и фильтруют на вакуум-фильтре.

Полученную дрожжевую массу фасуют и упаковывают для покупателей в предусмотренную упаковку, затем помещают в большие холодильники и остужают до + 4⁰С [7].

2.2 Технологическая схема дрожжевого производства

Процесс получения товарных дрожжей включает три основные стадии: выращивание, выделение из бражки и обезвоживание их.

Выращивание биомассы делится на два процесса: получение засевных дрожжей, на отделении чистой культуры и выращивании товарных дрожжей. Выделение проходит в две ступени: извлечение из бражки флотацией и сгущение на сепараторах.

Процесс обезвоживания также состоит из нескольких операций: сначала дрожжи плазмолизуются, затем упариваются на выпарной установки и после этого окончательно высушиваются на распылительной сушилке.

Технологическая схема дрожжевого цеха представлена на рис. 1.

Весь цикл производства заключается в следующем. Чистая культура дрожжей, выращенная в лаборатории, засевается в малую дрожжанку 2, где ведется выращивание периодическим способом. Затем дрожи из малой дрожжанки поддаются в большую 3, а из большой дрожжанки - в малый инокулятор (засевной чан) 4. В нем выращивание ведется непрерывным способом. Выращенные в отделении чистой культуры засевные дрожжи непрерывно подаются из малого инокулятора в производственный инокулятор 5. Сюда же подаются из сборника 6 сусло, воздух при помощи воздуходувки 10, питательные соли 8, аммиачная вода 9. Выросшие в инокуляторе дрожжи непрерывно отбираются в виде дрожжевой пены и самотеком поступают во флотатор 11. Здесь происходит расслоение пены на бражку без дрожжей и пену, обогащенную дрожжами по сравнению с той, что поступила из инокулятора. Пена гасится во внутреннем стакане флотатора. Полученная суспензия с концентрацией дрожжей 60-80 г/л отбирается из него насосом и подается для сгущения на I ступень сепарации 13, где отделяется часть бражки. Суспензия после I ступени сепарации (150-250 г/л) поступает в промывной чан 14, куда для промывки дрожжей подается вода. Разбавленная водой суспензия подается насосом на I I ступень сепарации 16, где происходит сгущение дрожжей до 500-600 г/л. Готовая дрожжевая суспензия насосом подается на плазмолизатор 17. Сюда же подается пар. Здесь происходит подогрев суспензии до 80⁰С, при этом дрожжевые оболочки разрушаются, содержимое клеток вытекает и попадает в напорный бак плазмолизатора 18, здесь под давлением суспензия становится более текучей. Плазмолизат поступает на вакуум- выпарную установку 19 для упаривания сухих веществ до концентрации 12.5% . Упаренный плазмолизат подается на распылительную сушку 21, где высушивается в токе горячего воздуха до содержания влаги 8-10%. Готовые сухие дрожжи из сушилки поступают на упаковку, где расфасовываются в бумажные мешки по 20-25 кг [8]

2.3 Основные способы выращивания дрожжей

Существуют два принципиально различных способа выращивания дрожжей: периодический и непрерывный. В первом случае в инокулятор задают питательную среду с солями, охлажденную до необходимой температуры, засевные дрожжи, затем подают воздух, перемешивают и таким образом ведут выращивание до полной утилизации РВ дрожжами. В ходе выращивания только поддерживают необходимую температуру, рН среды и расход воздуха. По окончании процесса содержимое инокулятора полностью выбирают, аппарат моют, стерилизуют и процесс выращивания начинают сначала. Таким способом ведут выращивание на первых стадиях приготовления чистой культуры дрожжей в отделениях чистой культуры производственных цехов. При этом способе выращивания дрожжи проходят в инокуляторе постепенно все стадии развития: 1) стадию покоя или лагфазу, когда клетки еще не растут, а лишь приспосабливаются к среде в подготавливаются к росту--в них в это время вырабатываются необходимые ферменты; 2) фазу логарифмического роста, когда все клетки почкуются в прирост биомассы идет в геометрической прогрессии; 3) фазу стационарного роста, когда скорость прироста клеток снижается и 4) фазу затухания, когда рост дрожжей прекращается, так как весь сахар из среды использован. Периодический способ выращивания невыгоден тем, что на протяжения цикла выращивания меняются состав среды и активность клеток, процесс нельзя автоматизировать. Мала производительность инокулятора из-за длительной лагфазы (период «разбраживания») и необходимости остановок для отбора готовых дрожжей и мойки посуды. Поэтому в больших промышленных инокулятор ах выращивание ведут непрерывным способом. Он заключается в том, что после окончания разбраживания, когда дрожжи перешли в фазу логарифмического роста и находятся в самом активном состоянии, в инокулятор мелкими порциями или непрерывно с заданной скоростью приливают питательную среду и одновременно с той же скоростью отбирают среду с приросшими дрожжами. В инокуляторе поддерживают определенный запас дрожжей и бражки, поэтому при определенной скорости подачи среды дрожжи находятся в аппарате необходимое время, в течение которого они успевают усвоить питательные элементы среды и вырасти. При таком способе выращивания дрожжи находятся все время в постоянных условиях, скорость роста их максимальна, производительность инокулятора -- тоже. Процесс полностью поддается автоматизации. Непрерывный способ выращивания дрожжей имеет три существенно различных варианта по соотношению времени роста дрожжей в времени нахождения бражки в инокуляторе. 1-й вариант. Бражка и дрожжи отбираются из инокулятора с одинаковой скоростью, одним потоком (рис. 1).

Рис.1 Схема выращивания дрожжей прямым методом:

1-инокулятор; 2-флотатор

Здесь время роста дрожжей и время нахождения бражка в инокуляторе одинаковы, и рассчитываются по формуле (1)

t= Т=V/W_с (1)

Рабочая концентрация дрожжей равна концентрации естественного прироста, в соответствии с формулой (2)

Х_р = Х_ест (2)

Практически -- это работа инокулятора с нижней кюветой и одним отбором без всяких возвратов, как изображено на рис. 1.

2-й вариант. Бражка выводится из инокулятора быстрее, чем дрожжи. Время роста дрожжей больше, чем время нахождения бражки, неравенство(3)

t>T (3)

Рабочая концентрация дрожжей больше естественного прироста, в соответствии с неравенством (4)

X _р>X_ест (4)

Практически этот вариант может осуществляться различными технологическими приемами (рис. 2): а) возвратом части дрожжей в инокулятор после сгущения их на флотаторе (рис. 2,а). С сепарации дрожжи возвращать не следует, так как при этом в инокулятор попадет химический пеногаситель и процесс циркуляции в чане нарушиться;

Рис. 2,а Схема выращивание дрожжей с возвратом в инокулятор после сгущения: 1-инокулятор; 2-флотатор

б) ведением двух отборов из инокулятора с поднятым аэратором (кюветой): из зоны над кюветой отбирается дрожжевая пена на флотатор и из зоны под кюветой--бражка без дрожжей отбирается в канализацию (рис. 7, б); за счет регулирования этих двух потоков можно создать необходимую рабочую концентрацию, а следовательно, и запас дрожжей в инокуляторе;

Рис. 2,б Схема выращивания дрожжей в инокуляторе с поднятой кюветой и двумя отборами: 1-инокулятор; 2-флотатор

в) при помощи флотоподсевателя, в соответствии с (рис. 2, в)

Рис. 2,в Схема работы инокулятора с флотоподсевателем: 1-инокулятор;2-флотатор;3-флотоподсеватель.

К инокулятору пристраивается небольшой (5--7 м3) конический флотатор - «флотоподсеватель»,из которого сгущенная дрожжевая пена возвращается в инокулятор, а обедненная дрожжами бражка сливается во флотатор.

3-й вариант. Дрожжи выводятся из инокулятора быстрее, чем бражка. Время роста дрожжей меньше, чем время нахождения бражки, в соответствии с неравенством (5)

t<T (5)

Рабочая концентрация дрожжей меньше концентрации естественного прироста, неравенство (6)

X _р<X_ест (6)

Практически этот вариант работы осуществляется путем возврата части бражки из флотатора в инокулятор (рис. 3,а)

Рис. 3,а Схема выращивание с возвратом бражки: 1-инокулятор;2-флотатор

Или путем одного отбора сгущенных дрожжей из инокулятора со встроенным флотатором (рис. 3, б)

Рис. 3,б Схема выращивание дрожжей в инокуляторе, со встроенным флотатором при одном отборе: 1- инокулятор;2- флотатор;3- встроенный флотатор

Сгущенные дрожжи из встроенного флотатора отбираются, а бражка из него остается в инокуляторе и разбавляет среду.

Выбор варианта работы обусловливается составом питательной среды. При содержании РВ в среде 1,0_2,0% используется 1-й вариант-одновременный отбор дрожжей в бражки, при концентрации РВ 0,5- 1,0% -вариант со сгущением дрожжей в инокуляторе и при концентрации 2,0-3,5 % используется вариант работы с возвратом бражки в инокулятор. [6]

2.4 Технологический режим

Технологический режим -- это ряд условий, обеспечивающих ход технологического процесса в нужных направлениях и масштабе при максимальном выходе продукта. Факторы режима, необходимые для обеспечения требуемого направления жизнедеятельности дрожжей и максимального выхода, следующие: состав среды; состав питательных солей и количество их на единицу расхода питательной среды; рН среды и рН выращивания; температура выращивания; остаточная концентрация питательных веществ в бражке время роста дрожжей; время нахождения среды в инокуляторе; расход воздуха. Факторы, обусловливающие максимальную производительность инокулятора и экономичность процесса: запас дрожжей в инокуляторе, который определяется полезным запасом жидкости в инокуляторе в рабочей концентрацией дрожжей в жидкости; время роста дрожжей; часовой расход редуцирующих веществ (РВ), определяемый расходом питательной среды и концентрацией РВ в среде; время нахождения среды в инокуляторе. К этой группе факторов относятся также указанные выше остаточные концентрации РВ и солей, расход воздуха.[6]

2.4.1 Состав среды

Для выращивания дрожжей в промышленности применяются три вида гидролизных сред: гидролизат, барда и смесь барды с гидролизатом. Они служат источником основной составной части дрожжей -- углерода. В процессе жизнедеятельности дрожжи усваивают углерод из таких, входящих в состав гидролизных сред соединений, как сахара и органические кислоты (главным образом уксусная). Основное различие между этими средами заключается в количестве содержащихся в них питательных веществ и в соотношении сахаров (РВ) и органических кислот. Так, в гидролизате содержится 3,0_3,5% РВ и только 03--О,45% органических кислот, что составляет лишь около 10/ от суммарного количества сахаров и кислот. В барде содержится РВ 0,6--0,7%, органических кислот--около 0,2%, т. е. доля их в сумме источков углерода для дрожжей составляет до 25%. В смеси барды и гидролизата это соотношение может быть самым разнообразным в зависимости от того, сколько гидролизата добавлено к барде. Состав сахаров барды и гидролизата также различен. В барде содержатся только пентозные сахара, в гидролизате около 20% сахаров составляют пентозы, около 80% гексозы. По питательной ценности сахара и органические кислоты неравнозначны. Известно, что ценность источника углерода как питательного вещества для микроорганизма и зависит от степени окисленности атомов углерода, входящих в состав молекулы этого вещества. С этой точки зрения все соединения углерода по их питательной ценности можно расположить следующим образом. Углекислота, где атом углерода полностью окислен, практически не может быть источником энергии для микроорганизмов. Использовать ее как строительный материал микробы могут лишь в присутствии других источников энергии (например, при фотосинтезе). Органические кислоты, в состав которых входит карбоксил, где три валентности насыщены кислородом и лишь одна может еще окисляться. Питательная ценность кислот зависит от радикала. Такие кислоты, как муравьиная и щавелевая, практически не используются микроорганизмами.

Уксусная кислота утилизируется дрожжами, но выход биомассы при этом ниже, чем при использовании сахаров. Сахара, которые содержат полуокисленные атомы углерода входящие в состав групп -СН₂ОН, -СНОН-, =СОН-. Такие атомы легче всего подвергаются окислительно-восстановительным превращениям и потому содержащие их вещества представляют высокую питательную ценность для дрожжей. Согласно литературным данным [2, 3] выход биомассы (абсолютно сухой) от сахаров может достигать 57_80%. Кроме сахаров, сюда же можно отнести в другие вещества, содержащие спиртовую группу--глицерин, маннит, винную, лимонную кислоты в т. д. Соединения с большим количеством метильных (-СН₃ и метиленовых (-СН₂-) групп, такие как углеводороды (газообразные и парафинового ряда), высшие жирные кислоты, которые могут служить источником углерода для микроорганизмов и конкретно для дрожжей. Выход биомассы из них составляет более 100%. Однако потребление их затруднено в связи с тем, что эти вещества плохо растворяются в воде, а, кроме того, они не могут без предварительного частичного окисления участвовать в реакциях внутри клетки. Поэтому усвоение таких веществ идет в две стадии: сначала они окисляются, а затем уже полуокисленные продукты используются клеткой. Сахара в органические кислоты неравнозначны еще и в том отношении, что в результате использования ах дрожжами рН (активная кислотность) среды изменяется по-разному. IIри использовании сахаров в комплексе с сульфатом аммония в качестве источника азота идет сильное подкисление культуральной среды; при переработке сахаров с аммиачной водой среда остается нейтральной; при использовании же дрожжами уксусной кислоты в комплексе с любым источником азота (сульфат аммония, аммиачная вода) культуральная среда (бражка) подщелачивается. Гидролизат в барда отличаются друг от друга еще в различным содержанием в них вредных и полезных примесей. Барда -- более доброкачественная и более полноценная среда. Это объясняется тем, что барда уже прошла один биологический цех -- спиртовой, где часть вредных примесей гидролизата была адсорбирована спиртовыми дрожжами, часть разрушена, часть улетучилась при отгонке спирта на бражной колонне. Кроме того, за счет метаболизма спиртовых дрожжей барда содержит значительное количество биостимуляторов. Гидролизат практически их не содержит. В барде в пересчете на сахар находится значительно больше микроэлементов, так как при равном количестве элементов, перешедших в эти среды из древесины, содержание сахара в барде в 5--6 раз меньше, чем в гидролизате. Все перечисленные особенности этих сред имеют большое значение при выращивании дрожжей и должны быть учтены при составлении режима. Так, от типа среды зависит выбор источника азота, количество минеральных добавок, выбор расы дрожжей (на барде могут расти все дрожжи, на гидролизате без добавки биостимуляторов -- только автоауксотрофные дрожжи типа Сапаdidа sсottii, которые сами синтезируют биос из неорганических веществ), выбор способа выращивания (он определяется содержанием сахара в среде) и другие факторы.[10]

2.4.2 Состав питательных солей

Для нормального развития дрожжей на какой-либо питательной среде необходимо, чтобы эта среда содержала источники всех элементов, которые входят в состав дрожжевой клетки. Чтобы выход дрожжей был максимальным, элементы в среде должны находиться в той же пропорции, что и в дрожжевой клетке. Согласно закону Либиха (закону минимума) выход дрожжей определяется тем компонентом питательной среды, который находится в недостатке. В гидролизном сырье элементы, необходимые для дрожжей, находятся в совершенно другой пропорции, чем в самих дрожжах. Таких элементов, как азот и фосфор, в древесине содержится незначительное количество. Поэтому их и некоторые Другие элементы питания обязательно следует добавлять в гидролизные среды. Добавка осуществляется в виде раствора минеральных солей. Величина добавки той или иной соли рассчитывается в зависимости от состава дрожжевой массы, состава используемой древесины (или другого растительного материала) и выхода дрожжей от исходного сырья. Следует также предусмотреть некоторый избыток в расходе питательных солей, так как небольшие количества их должны обязательно оставаться в бражке (культуральной среде) после выращивания дрожжей.

Элементарный состав дрожжей и некоторых видов сырья Средние цифры по элементарному составу дрожжей, содержащих 55% белка, могут быть приняты следующими ( в % от сухого вещества): углерода (С) 46 фосфора (в пересчете на Р₂О) 4% кислорода (О) 30 кальция (в пересчете на К₂О) 2,5--2,9 водорода (Н) 6,9 магния (в пересчете на МgО) .0,35--0,40 азота (N) 8--9 кальция (в пересчете на СаО) 0,1 серы (S) 0,2--1,4

В количестве меньшем, чем 0,1%, находятся в дрожжах такие элементы, как медь, железо, натрий, кремний, кобальт. Это так называемые микроэлементы. Общее содержание золы в сухих дрожжах--6--10%. Содержание зольных элементов в древесине некоторых пород приведено в таблице № 2

Таблица №2 »Содержание зольных элементов»

Содержание золы в коре деревьев--от 1,5 до 5,6%. В однолетних растениях золы в несколько раз больше, чем в древесине [11]

2.4.3 рН выращивания дрожжей

Следует различать рН среды, поступающей в инокулятор для выращивания дрожжей (сусла), и рН бражки в инокуляторе, т. е. рН, при котором растут дрожжи. Оба параметра нерасчетные, они подбираются опытным путем. рН сусла выбирается на основании условий, обеспечивающих наибольшую его доброкачественность и наименьшую агрессивность, а также из условий растворимости отдельных компонентов. Для сусла, получаемого путем гидролиза растительных материалов, принят рН в пределах 3,8--4,2. рН выращивания или рН бражки в инокуляторе обусловливается совершенно иными факторами, он должен: гарантировать оптимальные условия развития дрожжей; не являться оптимальным для биологических примесей, например таких, как бактерии; быть оптимальным для поддержания в растворенном состоянии всех компонентов сусла. рН, при котором дрожжи могут существовать в развиваться, колеблется в очень широких пределах: от 2,5 до 8,0. Эти пределы сильно зависят от других условий выращивания, таких, как температура, доброкачественность среды, возраст дрожжей, аэрация. Оптимальный рН, т. е. тот, при котором дрожжи, быстро развиваясь, дают высокий выход биомассы, лежит в гораздо более узких пределах. При слишком низких и слишком высоких значениях рН выход дрожжей уменьшается. Графически зависимость выхода дрожжей от рН можно представить кривой с максимумом, как это изображено на рис. 4.

Рис.4

Для непрерывного выращивания на гидролизных средах оптимум рН находится между 3,8 в 5,4. Однако при рН больше 4,6 сильно снижается растворимость фосфорнокальциевых солей, а также коллоиднорастворенных гуминовых кислот и лигнина; они начинают выпадать в осадок. Среды темнеют, товарные дрожжи-тоже. При высоком рН (5,0--5,4) хорошо развиваются бактерии и поэтому увеличивается возможность заражения ими инокулятора. Поэтому рН при выращивании дрожжей на гидролизных средах принимают равным 3,8--4,6, однако при производственной необходимости допускается выращивание в при рН 3,5--3,6, а также при рН 4,8--5,4.

2.4.4 Температура выращивания

Температура выращивания -- нерасчетный параметр, принимаемый в зависимости от выбранной для производства культуры дрожжей. Так же, как и рН, температура влияет на выход дрожжей от РВ и на скорость их роста. Зависимость выхода от температуры аналогична зависимости его от рН: тоже имеет максимум. При низкой температуре выход уменьшается из-за того, что увеличивается расход сахара на энергетические процессы в клетке. При температуре выше оптимальной выход быстро снижается, так как выходят из строя катализаторы биохимических реакций -- ферменты. Как и другие белковые вещества при высокой температуре они сначала теряют активность, а потом свертываются и перестают действовать. Биохимические реакции так же, как и химические, ускоряются с повышением температуры (при увеличении температуры на 10° С скорость реакции возрастает вдвое). Поэтому выгоднее вести процесс при более высокой температуре: производительность аппаратуры будет больше. Кроме того, для производства большое значение имеет возможность работать при высоких температурах, так как можно тратить меньше воды для охлаждения сред. Однако повышать температуру выращивания можно лишь на 2--3°С по сравнению с оптимальной для данной расы дрожжей и после длительной адаптации. Оптимумы температуры (в °С) для принятых в промышленности культур лежат в следующих пределах. Саndidа sсоttii -- 37--38°; Саndidа tropicalis- 34-36°; Саndidа guilliermondii -34-36°; Саndida utilis -30--32°. Чрезмерное увеличение температуры приводит к снижению содержания белка в дрожжах. Выращивание при 40--42° С способствует вытеснению урожайных дрожжей примесями, вследствие чего падает выход товарной продукции.[12],[13]

3. Промышленное применение сухих дрожжей

В различных частях земного шара вырабатывают огромное множество спиртных напитков. В основе производства большинства из них лежит сбраживание сахаров дрожжами, а различия связаны с источником сбраживаемых сахаров и с тем, перегоняется ли продукт или нет. Конечная концентрация спирта при спиртовом брожении может достигать 15%, как, например, в некоторых бордоских винах. В таких количествах этанол токсичен для самих дрожжей, поэтому если необходимо увеличить уровень спирта, то его концентрируют с помощью перегонки. Однако в большинстве сортов вина и пива спирта не более 10% сбраживании сахаров.

При сбраживании сахаров образуется почти столько же углекислого газа, сколько и спирта:

С₆Н₁₂О₆= 2С₂О₅Н + 2СО₂

Именно углекислый газ, вырабатываемый дрожжами, представляет собой продукт, имеющий важное значение для хлебопекарной промышленности. Тесто поднимается благодаря углекислому газу, который выделяют дрожжи, внесенные в тесто при его замешивании.

Для получения хлеба с равномерной структурой существенно, чтобы дрожжи были распределены по всему тесту равномерно. Дрожжи также придают хлебу запах, однако это свойство обычно не столь существенно: при использовании современных активных штаммов пекарских дрожжей требуемое количество дрожжей настолько мало, что хлеб с дрожжевым запахом встречается теперь редко. Хотя в спиртовом производстве углекислый газ представляет собой побочный продукт, на ряде крупных винокуренных заводов его улавливают, нагнетают под давлением в баллоны и продают в виде жидкого углекислого газа. Один из потребителей такого углекислого газа -- промышленность, производящая напитки: углекислый газ используется здесь для получения шипучих напитков. Это второй пример экономической важности такого продукта ферментации дрожжей, как углекислый газ. В ходе каждого процесса ферментации количество дрожжей увеличивается по сравнению с первоначально внесенным в культуру не менее чем в три раза. Этот излишек дрожжей представляет собой еще один побочный продукт, который пошел бы в отходы, не найдись и ему применение. Излишек дрожжей от пивоварения и производства спирта традиционно использовался в качестве пекарских дрожжей. Предпочтение отдавалось дрожжам винокуренного производства, поскольку они не имели привкуса хмеля, характерного для непромытых пивных дрожжей. Такая практика, возможно, еще существует во многих странах, однако в наиболее развитых государствах для хлебопекарной промышленности выращивают специальные дрожжи, поэтому для пивных дрожжей приходится искать другие применения. Одно из важных применений таких дрожжей состоит в приготовлении на их основе гидролизатов и автолизатов, которые служат в качестве вкусовых добавок. «Отработанные» дрожжи используются также в производстве кормов для животных. Большая часть дрожжей винокуренного производства в процессе перегонки разрушается и приобретает вид густой коричневой жидкости, называемой бардой. Барда находит применение в производстве кормов для животных, а в высушенном виде служит источником питательных веществ и других промышленных микробиологических процессах. Рост дрожжей в анаэробных условиях приводит к образованию большого количества этанола, но выход дрожжевых клеток на единицу затраченного субстрата при этом невысок. Такие условия выращивания не годятся в тех случаях, когда необходимо получить много дрожжевых клеток, -- к подобным процессам относится производство пекарских дрожжей и дрожжевой биомассы, идущей на корм животным. Наиболее высокий выход дрожжей достигается при выращивании их в условиях эффективной аэрации на среде, содержащей низкую концентрацию сахаров. Сейчас промышленный спирт получают из нефти, однако в прошлом его вырабатывали микробиологическим путем. В настоящее время таким способом приходится получать только тот спирт, который применяется в пищевой промышленности и медицине. Кроме алкогольных напитков сюда относится спирт, предназначенный для лекарственных нужд, и спирт, используемый как исходное вещество в производстве уксуса.