Влияние режимных параметров подготовки сушеного топинамбура к дистилляции на эффективность процессов при получении и сбраживании сусла

Аннотация. Исследовано влияние гидромодуля, дозировки микробной инулиназы и степени подкисления на эффективность процесса при получении осахаренного сусла из сушеного топинамбура. Выявлены технологические параметры, влияющие на процесс сбраживания осахаренного сусла: норма дрожжей, раса дрожжей, степень подкисления.
Abstract. The effect of the hydromodule, the dosage of microbial inulinase and the degree of acidification on the efficiency of the process in the preparation of saccharified wort from dried Jerusalem artichoke.The technological parameters influencing the process of fermentation of the saccharified wort are revealed: yeast norm, yeast race, the acidity level.

Одним из перспективных видов сырья для производства спиртных напитков является топинамбур. Природно-климатические условия Российской Федерации позволяют выращивать данную сельскохозяйственную культуру в промышленных объемах. Кроме этого, в настоящее время между отраслями, использующими топинамбур в качестве исходного сырья, конкуренция отсутствует.
Свежий топинамбур, с точки зрения хранения, является сложным сырьем.

Немецкие специалисты рассматривают клубни топинамбура исключительно как сезонное сырье, не подлежащее хранению [1]. В качестве альтернативы можно рассматривать вариант использования сушеного топинамбура – промышленно выпускаемого продукта. К преимуществам последнего следует отнести, во-первых, возможность круглогодичного производства продукции, во-вторых, стабильность его биохимического состава и высокую микробиологическую чистоту. Кроме того, использование сушеного топинамбура позволяет существенно упростить технологический процесс, исключив такие операции, как мойка сырья и его дробление.

Обзор научно-технической литературы, посвященный вопросам переработки клубней топинамбура, показывает, что технологии, используемые в бродильных производствах, могут быть разделены на два класса. В соответствии с одним из них, сырье подвергают перед ректификацией двухстадийной обработке, то есть, сначала получают осахаренное сусло из измельченного материала, а затем вносят в него дрожжи и проводят процесс сбраживания.

Схема проведения экспериментальных исследований при двухстадийном способе подготовки сушеного топинамбура к дистилляции представлена на рисунке 1. Среди изучаемых факторов на стадии получения осахаренного сусла выбраны: гидромодуль, дозировка микробной инулиназы, степень подкисления. На стадии сбраживания осахаренного сусла – норма дрожжей, раса дрожжей, степень подкисления.



Рисунок 1 – Схема проведения экспериментальных исследований при
двухстадийном способе подготовки сушеного топинамбура к дистилляции

При разработке новой высокоэффективной технологии спиртных напитков из сушеного топинамбура на первом этапе исследований необходимо было установить закономерности изменения углеводного комплекса исходного сырья в процессе получения осахаренного сусла.

В качестве метода деполимеризации фруктозанов сырья, среди известных, был выбран ферментативный. В исследованиях для гидролиза фруктозосодержащих углеводов сушеного топинамбура применяли ферментный препарат отечественного производства, содержащий микробную экзоинулиназу Inul A. Awamori [2].

Эксперименты были проведены в двух вариантах: вариант А – гидролиз полимеров сырья под действием собственных инулиназ топинамбура; вариант В – гидролиз полимеров сырья при совместном действии инулиназ сырья и микробной экзоинулиназы.

Результаты исследований показали [3], что предельно-допустимое значение гидромодуля, оцененное по текучести технологических сред соответствует 1:4,5 (значение не должно превышать 10 с).
Также в работе варьировалась дозировка ферментного препарата, которая составляла от 1,5 до 7,5 ед.ИН/г инулина сырья. Сусло готовили согласно выбранному гидромодулю (1:4,5), процесс гидролиза осуществляли при естественном pH среды (pH 6,0), длительность процесса обработки при температуре 55°С составляла 3 часа (рекомендованные ранее режимные параметры получения сусла из клубней топинамбура [4, 5]).

Установлено, что содержание редуцирующих сахаров с увеличением дозировки внесения микробной инулиназы закономерно возрастало [3]. С экономической точки зрения предпочтительна дозировка инулиназы на уровне 3,0-4,5 ед.ИН/г инулина сырья.

Одним из факторов, определяющих эффективность ферментативного гидролиза полимеров сырья, является создание оптимального рН технологической среды. При переработке сушеного топинамбура при выбранном гидромодуле (1÷4,5) рН среды находится на уровне 6,0-6,5. Используемый микробный ферментный препарат Inul A. Awamori, обладающий экзоинулиназной активностью, проявляет, по данным производителя [2], максимальную активность при рН 4,0 – 4,5.

Также в работе учитывалось, что топинамбур содержит определенное количество пектиновых веществ. Среди них преобладает нерастворимый протопектин [6], что следует считать положительным, с позиции оценки данного вида сырья. Вместе с тем, пектин топинамбура характеризуется высокой степенью метоксилирования, то есть в случае ферментативного гидролиза сырья, под действием пектинэстеразы в конечном продукте может накапливаться сверхнормативное содержание метилового спирта.

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы: подкисление сусла до pH 4,5 повышает суммарное содержание сахаров в сусле на 26,8-36,0%, по сравнению с образцами, полученными при естественном значении pH (pH 6,0), в основном за счет увеличения массовой доли фруктозы и глюкозы. Содержание сахарозы, напротив, снижается почти в 2 раза. Вероятнее всего данный факт связан с созданием оптимальных условий для действия микробной инулиназы.

Эффективность процесса сбраживания инулинсодержащего сырья зависит от ряда факторов, в том числе от химического состава сусла, его концентрации, степени гидролиза полимеров сырья, используемой расы дрожжей, их физиологического состояния и особенностей метаболизма, продолжительности сбраживания и температурных режимов проведения процесса.

На первом этапе процесс сбраживания осахаренного сусла из сушеного топинамбура осуществляли с использованием  сухих спиртовых (Fermiol), винных (SIHA activhefe 3)  и пивоваренных (Safbrew WB-06) дрожжей. Известно, что увеличение нормы задачи дрожжей интенсифицирует процесс сбраживания, особенно на первых этапах. Учитывая высокое содержание потенциально сбраживаемых углеводов в сушеном топинамбуре, представленных преимущественно олигосахаридами и низкомолекулярными фракциями инулина, в работе провели эксперименты по варьированию нормы задачи дрожжей. Были сняты кривые выделения CO₂ при сбраживании осахаренного сусла (норма внесения дрожжей составляла: 50, 100 и 200 мг/100 г сусла) [6].

Анализ полученных данных позволил выбрать норму внесения дрожжей – 100 мг/100г сусла.

При разработке технологии спиртного напитка из сушеного топинамбура, кроме выхода безводного спирта из единицы переработанного сырья, были определены качественные характеристики полупродукта производства, в частности сброженного сусла, которые напрямую влияют на органолептические показатели конечного продукта.

В результате выявлены существенные отличия в содержании отдельных летучих компонентов в образцах в зависимости от расы использованных дрожжей.

Установлено, что применение спиртовых дрожжей Fermiol характеризуется более низким содержанием в сброженном сусле ацетальдегида и метанола, что следует считать положительным при оценке состава летучих компонентов данных образцов. Суммарное содержание высших спиртов варьирует от 4057 до 4802 мг/дм³ безводного спирта. Причем, использование спиртовых и винных дрожжей практически одинаково влияет на значение данного показателя, применение пивоваренных дрожжей повышает его. Кроме того, выявлены существенные отличия в содержании отдельных высших спиртов в образцах.

Получение сусла с подкислением среды до pH 4,5 при использовании всех рас дрожжей позитивно влияет на состав летучих компонентов сброженного сусла. Установлено, что содержание ацетальдегида – компонента, негативно влияющего на органолептические характеристики конечного продукта, снижается в среднем на 5–15% (последнее значение соответствует образцу, полученному с использованием спиртовых дрожжей Fermiol), метанола – примеси, характеризующей безопасность продукции и регламентированной в спиртных напитках, уменьшается на  10–35%, причем его наибольшее снижение также отмечено при использовании спиртовых дрожжей Fermiol.

В результате проведенных исследований разработаны режимные параметры двухстадийного способа подготовки сушеного топинамбура к дистилляции, включающие: на первой стадии – получение осахаренного сусла при гидромодуле 1÷4,5, дозировке микробной инулиназы 3,0-4,5 ед.ИН/г инулина сырья, с подкислением среды до pH 4,5, проведение ферментативного гидролиза при температуре 55°C в течение 3 часов; на второй стадии (при сбраживании осахаренного сусла) использование сухих спиртовых дрожжей Fermiol, вносимых в количестве 100 мг/100 г сусла, проведение процесса при температуре 28-30°C в течение 3 часов.

Литература

1.Peter Dürr, Werner Albrecht, Manfred Gössinger, Klaus Hagmann, Daniel Pulver, Ger Scholten. (2010) Technologie der Obstbrennerei. – 326 s. Eugen Ulmer KG.
2. Волков П.В., Синицына О.А., Федорова Е.А. и др. (2012). Выделение и свойства рекомбинантных инулиназ Aspergillus sp., Биохимия, 77 (5).  – С. 611 - 621.
3. Оганесянц, Л.А.  Разработка технологии спиртных напитков на основе дистиллята из топинамбура. Часть 1. Стадия получения осахаренного сусла) / Л.А. Оганесянц, В.А. Песчанская, Л.Н. Крикунова, О.Н. Ободеева // Пиво и напитки. – 2016. –  №6. – С. 34-37.
4. Крикунова, Л.Н. Энерго- и ресурсосберегающая технология этанола из топинамбура. I. Сравнительная характеристика способов подготовки сырья к сбраживанию / Л.Н. Крикунова, М.М. Александрова // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2000. –  №6. – С. 64-67.
5. Крикунова, Л.Н. Разработка технологических параметров двухстадийного способа подготовки сушеного топинамбура к дистилляции / Л.Н. Крикунова, О.Н. Ободеева, М.А. Захаров, А.В. Данилян // Пищевые системы. –2018. –Т. 1. – № 1. – С. 24-34.
6. Крикунова, Л.Н. Пектиновые вещества топинамбура: содержание, распределение по аналитическим частям, свойства / Л.Н. Крикунова, М.В. Гернет, Д.В. Чечеткин // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2006. – №5. – С.50-54.
7. Оганесянц, Л.А. Разработка технологии спиртных напитков на основе дистиллята из топинамбура. Часть 2. Стадия сбраживания осахаренного сусла) / Л.А. Оганесянц, В.А. Песчанская, Л.Н. Крикунова, О.Н. Ободеева // Пиво и напитки. – 2017. – №1. – С. 26-29.


Песчанская В.А., Крикунова Л.Н., д-р техн. наук, профессор
Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН
 

---