Проблемы повышения эффективности использования дрожжей

Специфические условия шампанского производства, как отмечалось, оказывают депрессирующее влияние на функциональную деятельность дрожжей. Это диктует необходимость разработки новых условий культивирования, при которых факторы, влияющие на усиление жизнедеятельности дрожжей, оказывали бы постоянное воздействие на всем протяжении технологического процесса.

Одним из основных факторов, влияющих на процесс размножения дрожжей, является правильный подбор питательных сред, которые должны обеспечивать активный процесс обмена веществ и в тоже время быть близкими по составу к средам в резервуарах бродильной батареи. При этом в непрерывном процессе приспособляемость дрожжей к производственным субстратам постоянно повышается.

Между дрожжевой клеткой и питательной средой идет интенсивный обмен веществ, состоящий из двух основных процессов: получения питательных веществ, необходимых для осуществления синтетических процессов, и выделения в культуральную жидкость продуктов жизнедеятельности. На интенсивность этих процессов влияет много факторов: состав среды, ее рН, электрический заряд оболочки клетки и другие физико-химические условия.

Среда, применяемая для культивирования дрожжей, должна быть полноценной по составу. Потребность дрожжей в факторах роста велика, так как они представляют собой главные части основных ферментов метаболизма [166]. Важное значение имеют разность концентраций питательных веществ в дрожжевой клетке и в окружающей среде, а также избирательная способность плазменной оболочки к проницаемости веществ. Большинство высокомолекулярных соединений подвергается сложным биохимическим превращениям в протоплазме клетки. Гармоническое сочетание всех этих и ряда других факторов обеспечивает рост и размножение дрожжей.

В практике работы многих бродильных производств при культивировании дрожжей в условиях аэробиоза с большой эффективностью используют среды с низкими концентрациями сухих веществ, но при этом стремятся к тому, чтобы такие среды были полноценными.

Биологическая полноценность состава среды определяет скорость размножения дрожжей, а концентрация питательных веществ - выход биомассы.

В лабораторных условиях были поставлены серии опытов по сравнительному изучению скорости размножения дрожжевых клеток на производственных питательных средах (купаж шампанских виноматериалов: спирт 10- 11% об., рН 2,9-3,1) с содержанием сахара 2, 3, 5, 8 и 10 г на 100 мл.

В условиях опыта дрожжи, культивируемые на питательной среде, содержащей сахара 2-3 г на 100 мл, в течение 3 сут энергично размножались. На среде с 10 г сахара на 100 мл скорость размножения в первые сутки культивирования была значительно ниже. По мере потребления сахара к концу третьих суток активность размножения дрожжей возрастала и приближалась к активности на среде, содержащей сахара 2 г на 100 мл. При более длительном культивировании вначале наблюдалась тенденция к сближению этой активности, а затем по мере потребления сахара процесс размножения замедлялся у дрожжей на среде с сахаристостью 2 г на 100 мл, а на среде с 10 г сахара на 100 мл продолжал повышаться. Промежуточное положение занимали данные, характеризующие процесс размножения дрожжей при содержании сахара 3,5 и 8 г на 100 мл [125].

Изучение активности дыхания и брожения дрожжей на той же среде проводили манометрическим методом в аппарате Варбурга при 20°С.

Активность дыхания и брожения определяли по сумме поглощаемого кислорода и выделяющегося углекислого газа через каждый час в течение 4 ч.

Наибольшей скоростью поглощения кислорода обладали дрожжи на средах, содержащих 2 и 3 г сахара на 100 мл, наименьшей - на средах с 10 г сахара на 100 мл. Повышение концентрации сахара в сочетании с ингибиторами роста (спиртом 10-11% об., рН, Eh, SO₂ и др.) отрицательно влияет на активность дыхания и скорость размножения дрожжей.

Активность брожения дрожжей при взятых концентрациях сахара изменялась незначительно, хотя также наблюдалось некоторое повышение активности на среде с содержанием сахара 2 г на 100 мл.

Процесс дыхания сопровождался интенсивным размножением дрожжевых клеток, наиболее активно он протекал на питательной среде с содержанием сахара 2 г на 100 мл, о чем свидетельствовал наибольший прирост биомассы- 20,8 млн. клеток на 1 мл, что составляет 320%. По мере увеличения сахара в питательной среде и в этих опытах наблюдалось замедление процесса размножения дрожжей. На питательной среде с сахаристостью 10 г на 100 мл накопление дрожжевых клеток было незначителньым - 9,1 млн./мл, что составляло 140%, т.е. более чем в 2 раза ниже по сравнению со средой с 2 г сахара на 100 мл.

Изучение энергии дыхания и брожения дрожжей манометрическим методом проводили и на искусственной питательной среде (сернокислый аммоний- 2,5 г, фосфорнокислый калий однозамещенный - 0,7 г, сернокислый марганец-1,0 г), содержащей 2, 3, 5 и 10 г сахара на 100 мл. Была подтверждена отмеченная выше закономерность-снижение активности дыхания и брожения по мере увеличения концентрации сахара в среде. Однако абсолютные значения, характеризующие интенсивность процессов дыхания и брожения дрожжей на искусственной питательной среде, были значительно ниже, так как эта среда по сравнению с производственной более обеднена необходимыми питательными веществами.

С увеличением концентрации сахара в питательной среде наблюдается тенденция к снижению накопления общего азота в дрожжевых клетках, что свидетельствует об ослаблении биосинтетических процессов.

Клетки дрожжей, культивируемых на питательной среде с содержанием сахара 2 г на 100 мл, по своим размерам (8,0×7,5 мкм) превосходят клетки, которые выращены на среде, содержащей 10 г сахара на 100 мл (7,5×6,0 мкм).

Таким образом, культивирование дрожжей на производственных средах с низкими концентрациями сахара (2- 3 г на 100 мл) способствует повышению физиологической активности клетки. В непрерывном потоке представляется возможным использовать в качестве питательной среды бродильную смесь (2,2 г на 100 мл сахара), подготавливаемую для получения шампанизированного вина марки брют.

Регулирование жизнедеятельности микроорганизмов на всех стадиях технологического процесса производства шампанского должно играть ведущую роль в создании продукции высокого качества. Депрессирующее влияние среды на жизнедеятельность дрожжей сказывается на снижении скорости почкования, хотя количество клеток, принимающих участие в размножении, остается достаточно высоким. Закономерно влияет данная среда и на процессы метаболизма дрожжевых клеток.

Изучение общих закономерностей роста и размножения дрожжей по градиентно-непрерывному способу позволило разработать аппаратурно-технологическую схему культивирования дрожжей в непрерывном потоке. Новый способ культивирования обеспечил значительное повышение физиологической активности дрожжей. Длительное непрерывное культивирование дрожжей постоянно улучшает их свойства [121].

Шампанизация вина в непрерывном потоке открывает широкие возможности для дальнейшего повышения эффективности использования дрожжей. Решение этой проблемы целесообразно осуществлять по следующим основным направлениям.

В производственных условиях нужно широко апробировать возможность улучшения свойств дрожжей, основанную на совместном воздействии мутагенных факторов и постоянного влияния промышленного культивирования. Среди мутагенных факторов, вызывающих направленное изменение наследственных признаков, наибольший интерес представляют физические.

Необходимо в общепромышленном масштабе производить в стандартных условиях изучение и сопоставление применяемых на заводах шампанских вин дрожжей. Хранить селекционированные при этом культуры надо с учетом накопленных знаний об изменчивости свойств микроорганизмов. Увлечение селекцией так называемых "местных рас" для производства шампанского, по-видимому, не может быть признано научно обоснованным.

Возможности регулирования метаболизма дрожжевой клетки следует более разносторонне использовать в технологических процессах. При этом целесообразно прежде всего стремиться к моделированию наиболее ценных стадий производства шампанского бутылочным способом.

Известно, что дрожжи в процессе жизнедеятельности синтезируют и выделяют в среду разнообразные органические соединения, вызывающие в вине сложные биохимические превращения. Особое место среди них занимают биокатализаторы, стимулирующие функциональную деятельность дрожжей. Концентрация этих веществ зависит не только от физиологического состояния культуры, но и от других факторов, основным из которых является отношение биомассы дрожжей к объему сбраживаемого субстрата. Поэтому определенный интерес представляют исследования процессов, осуществляемых в настоящее время при сверхвысоких концентрациях дрожжей. Однако получение их путем обычного увеличения объема дрожжевой разводки, поступающей на производство, практически не представляется возможным. Поэтому интересно изучение возможности предварительной непрерывной концентрации дрожжевой разводки. Это позволило бы также исключить необходимость введения совместно с дрожжами относительно больших объемов культуральной жидкости, которая часто характеризуется невысокими органолептическими свойствами и наличием продуктов аэробного обмена дрожжей, что отрицательно сказывается на качестве продукции.

С целью повышения качества шампанских виноматериалов целесообразно исследовать возможность использования наиболее эффективных рас дрожжей шампанского производства на предприятиях первичного виноделия.

Следует продолжать исследовательские и проектно-конструкторские работы по совершенствованию аппаратуры установки непрерывного культивирования дрожжей, имея в виду возможность обеспечения более тонкого регулирования, строгого поддержания постоянства заданных параметров и дальнейшего повышения эффективности ее работы в целом.

Отмеченные требования приобретают особое значение в связи с широким внедрением в промышленность ускоренного биологического способа обескислороживания бродильной смеси и шампанизации вина до марки брют, обусловивших значительное усиление депрессирующего влияния на бродильную функцию дрожжей [126].

Способ культивирования дрожжей в непрерывном потоке в системе аппаратов не обеспечивает в полной мере повышенные требования технологии и имеет ряд существенных недостатков.

Использование в качестве питательного субстрата смеси купажа с ликером при постоянном содержании сахара 2-5 г на 100 мл в зависимости от принятых режимов культивирования приводит к недостатку или избытку его в среде, что сказывается на активности процесса размножения. Это происходит вследствие того, что количества сахара, необходимого для нормального осуществления процессов культивирования дрожжей и для шампанизации вина, не совпадают.

Принятое дифференцирование условий культивирования дрожжей приводит к тому, что отдельные генерации их вследствие изменений состава, свойств и температуры культуральной жидкости от первого аппарата к последнему, как правило, несколько различаются по физиологической активности и устойчивости к неблагоприятным воздействиям производственных факторов.

Совмещение процесса размножения дрожжей с подготовкой их к условиям шампанизации вина приведет к затуханию активности размножения и, следовательно, нерациональному использованию емкости аппаратов. Кроме того, дрожжи после завершения процесса размножения не в полной мере подготовлены к жизнедеятельности в условиях избыточного давления и повышенного содержания углекислого газа.

Для получения дрожжевой разводки в состоянии высокой физиологической активности и в количестве, гарантирующем интенсификацию процесса производства шампанского, может представить интерес раздельное проведение культивирования дрожжей и их последующей подготовки к шампанизации. При этом дозировать купаж и ликер в дрожжевой аппарат следует раздельно. Количество подаваемого ликера должно соответствовать скорости потребления сахара дрожжами при наиболее высокой энергии их размножения. Затем дрожжевую разводку (возможно, после предварительного концентрирования) целесообразно направлять в специальный аппарат - активатор, находящийся под избыточным давлением, равным давлению в линиях шампанизации. В активаторе в течение некоторого времени дрожжи перестроят обмен с дыхания на брожение и подготовятся к осуществлению процесса шампанизации [123, 92].

Непрерывные процессы, вызывая улучшение ценных свойств используемых микроорганизмов, в то же время в условиях, не гарантирующих стерильность, приводят к возрастающей адаптации вредной микрофлоры к факторам среды обитания. В связи с этим необходимо резко повысить роль и значение микробиологического контроля в шампанском производстве.