автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему: Разработка технологии получения яблочного уксуса из сброженно-спиртованных яблочных соков

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии получения яблочного уксуса из сброженно-спиртованных яблочных соков"

ВСЕСОЮЗНАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОачЯСТВЕННЬК НАУК имени В.И.ЛЕНИНА

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАТЧКО-ИССЛЕДОВАШЬСШ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ ( БШШБТ )

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЯБЛОЧНОГО УКСУСА ИЗ СБРОНЕННО-СПИРТОВАННЫХ'ЯБЛОЧНЫХ СОКОВ

' "Технология продуктов брожения, алкогольных и безалкогольных напитков"

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наух

' На правах рукописи

ГРИШИНА ОЛЬГА ВАСИЛЬЕВНА

Работа Екполнена но Всесоюзном иаучно-Есследовакельскоы институте лицевой биотехнологии ( ШШБТ ),

Научный руководитель: доктор технических взук, .профессор УСТИННИКОВ Б.А.

Официальные ошгонеяты: доктор биологических наук

ТИХОМИРОВА A.C. кандидат технических наук ХЕРСОНОМ I.A.

Ведущее предприятие - Днепродзержинский 'завод продтоваров

Защита диссертации состоится "_"_, 1990 г. в _

часов на заседании Специализированного Совета K-I20.86.0I ео' • Всесоюзном научно-исследовательском институте пищевой биотехнологии по адресу: 109033, Москва, ул.Самокатная, д.46.

С диссертацией моей о ознакомиться в библиотеке ВНИИПБТ. Автореферат разослан "_"_ 1990 г.

кандидат технических наук И.И.Бурачевскнй

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность; Одной из важнейшие задач„ стоящих перед ягсце-t промышленностью и имеющих большое социальное и народно-хозя-■венное значение является удовлетворение разнообразных и воз-тающих потребностей населения е продуктах литания. Решение й задачи требует увеличения объемов производства пищевых про-тов, расширения ассортимента,-улучшения качества, увеличения тельности хранения и т.д.

К числу таких продуктов относится широко используемая в па-ой промышленности уксусная кислота, вырабатываемая биохимическим зобом. Натуральный уксус входит как незаменимый компонент в гав ряда продуктов, используется в качестве консерванта в рыб, консервной промышленности, вкусовой припраЕЫ в общественном • ¡нии и быту л т.п.'

Помимо спиртового и, а незначительном количестве винного ук-I, в нашей стране выпускается с начала 80-х годов яблочный ук-

обладающий рядом ценных качеств. •

Однако, организация производства яблочного уксуса в яромш-ом масштабе с использованием имеющихся производственных мощей, созданием новых с расширением объемов-его производства в ветствии с возрастающим спросом, потребовала разработки ярин-ально новой технологии получения яблочного уксуса, источающей:

- получение ноеого натурального продукта, обладающего ценными зтвами, обусловленными составом сырьяс из которого он изготое-i принципиально ноеой технологией его производства;

- создание современной малоотходной технологии с комплексным тзоЕа'нием компонентов сырья;

- использование еысокоёктсвноа'О' продуцента уксусной кис-

-интенсифшсацив производственных процессов и повиг-окпе тех-

«ич0ск0г0 УРОЕНЯ прОИЗЕОДСТЕЭ.

Возможность увеличения объема и интенсификации произЕОДст: яблочного уксуса Саз больших капитальных затрат на действующих '' предприятиях связана в большой степени с оптимизацией методов ведения биосинтеза уксусной кислоты.

Вышеизложенным определяется актуальность решений проблемы 1 интенсификации производства натурального яблочного уксуса, имеющей научный и практический интерес.

' Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований является соцание' научных основ л ¡разработка технологии получения яблочного укоуса из сброженно-спиртоганных яблочных соков перио.1 ческим и непрерывным способами на основе использования для интеь фикации процессов прогрессивных технологических приемов и методе регулирования биосинтеза уксусной кислоты, применения внеокоакт! ного продуцента, ноеых технических решении в производстве.

В соответствии с этим били поставлены следующие задачи:

- исследование культурально-морфологических и физиолого-бис химических характеристик продуцентов яблочного уксуса. Отбор вы( копро.цуктиЕНого штамма;

- изучение влияния различных факторов, на процесс биосинтез« уксусной кислоты уксусно-кислиш бактериями;

- научное обоснование выбора оптимальных параметров Ееденш периодического и яепрерыЕНого глубинных процессов биосинтеза ук-cyciioil кислоты на основе управления процессами кизнедёятельност] уксусно-кнслих бактерий; .• '

- разработка усовершенствованной технологии получения ябло' ного натурального уксуса;

проверка и внедренио полученных результатов в хфокзЕОдст; них условиях.

Ияучнпч новинка работы. Из ряда в«деленных штаммов ух-

'сно-яислых бактерий ойобран и изучен наиболее активный продуцент ¡лочного уксуса, характеризующийся еысокой кислотообразующей :особностью, обеспечивающий высокий выход-и возможность получе-л яблочного уксуса повышенной концентрации.

Получен новый экспериментальный материал по влиянию неко-рых факторов на динамику кислотообразоЕания и накопления био- • ссы выбранного штамма УКБ.

Впервые научно обоснованы режимы культивирования уксусяо-олых бактерий с учетом ингибирования процесса роста биомассы Б, обеспечивающие повышение.скорости иислотообразованкя и ра-ональное использование субстрата.

В целях интенсификации основной технологической стадия до-тения яблочного уксуса показана возможность применения в качес—• з посевного материала концентрированной биомассы уксусно-кис-к бактерий, что позволяет увеличить съем готового продукта до D % ( с 50-70 %) и создает услоЕия для разработки гибкой, ийдо- •• годной, экологически чистой технологии.

В результате проведенных исследований, разработана усоверйенс-званная технология получения яблочного уксуса периодическим гбинным способом и технология производства яблочного уксуса 'но-)рнвным способом на ноеой ферментационной установка из сброяенно-фтоганных яблочных соков с использованием Еысокоактивногб прошита.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований 1работана и Енедрена технология получения натурального яблочного уса из сброженно-слиртованных яблочных соков периодически и [рерывнил глубинными способами с использованием прогрессивных одов ведения микробиологического синтеза.

Составлена и утверждена нормативно-техническая документация производство яблочного'уксуса: Тахнологичоская инструкция.''

ТИ 18-5-2-85, Технические условия ТУ 10-04-03-02-86 и Произвол^ ственнып регламент на произЕодстЕО уксуса яблочного натурально: ТР 10-0334585-2-89.

Результаты, полученные при проведении научно-исследоЕател] ских работ, выявили возможность, которая и была реализована, и« пользования имевшихся значительных свободных ресурсов плодовоп виноматерпала в целях получения нового продукта, обладающего^ • ценными качествами.

Новая технология получения яблочного уксуса испытана в пр| изЕодстЕенньк условиях ЭПК им.25 лет Октября - глубинный периодически;! способ и Стерлитамакского с/в загода - глубинный непр* рывныЛ способ.

Внедрение технологии получения яблочного уксуса в 19861989 гг позволило увеличить производство этого продукта с' 50 г дал до 700 т.дал и получить экономический эффект в среднем 0,8( руб на I т. дал продукта.

Апробация работы. ОсноЕные положения диссертации, результаты проведенных исследований додожены и сдобрены на:

- конференции-молодых ученых и специалистов ШИИПБТ (1984]

- конференции молодых уче.;ых и специалистов "Пути повышен] эффективности пиво-безалкогольного, ликеро-водочного и винодельческого производства" -(1985г.);

- секциях Учаного Совета ШШШБТ (1986-1989гг.);

- конференции молодых ученых и специалистов по пищевой би< технологии (1989г.).

Пу&пгаягпя. По материалам исследований опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и введения 5 6 глав, выгодой, списка литературы, и 6 приложений. Ос новяой текст диссертации изложен на 152 страницах машинописного

«ста, включает II рисункоЕ и 23 таблицы. Список пспользован-t литературы состоит из 230 источников.

i работы, излагаются цель и ochoehhg задачи исследован. ';, на- ■ 1ая ноЕизна и практическая значимость работы.

В пеоЕРй гларе содержится обзор литературы, состоящий из яздолое, где рассмотрено состояние уксусного производства в ;тоящее Ерем, сырье .для производства уксуса, особенности промятое уксусной кислоты, способы производства биохимического уса и пути интенсификации уксусного производства.

Анализ литературных данных показал целесообразность peaie-проблемы увеличения объемов производства без' значительных итальных затрат за счет внедрения высокоактивных штаммов про-ентов уксусной кислоты, прогрессивных, научно обоснованных нологических приемов ведения процесса биосинтеза уксусной кпс-ы, усовершенствования технологической схемы производства.

Существующая технология производства яблочного уксуса вшей стране циркуляционным поверхностно способом создавалась учета влияния различных факторов на процесс культивирования усно-кислых бактерий, отсутствуют данные о продуцентах яблоч-э уксуса. На основе изучения и анализа отечественных и зару-:1ых публикаций были определены основные направления иселеце-jü по разработке и совершенствованию технологии получения яб-юго уксуса, сфорыулпров-аны цели и задачи исследований.

Во B'Tonoi! главе "Метода исследования и получения яблочного гса" изложены методы исслодовани!':, методика культивирования дгцеита и оценки технико-экономических показателей гсхноло-зского процесса получения яблочного уксуса.

обосновывается актуальность темы дпссертацпон-

Исследования, связанные о выделением, отбором и изучением продуцентов яблочного уксуса проводили в соответствии с метода-^ ками, принягши в микробиологии. Работа с продуцентом проводилась на твердой, агаризаванной и на жидкой питательной среде пр •готовленными на основе яблочных виноматериалов. ^

Анализы сырья - яблочных сброженно-спиртованных соков, по лупродукгов и готового яблочного уксуса проводили в соотве^стви со стандартнши методиками, изложенными в соответствующих Техни ческих условиях и ГОСТ'ах.

ГазохроматографическиЙ анализ сырья и готового продукта осуществляли на газовом хроматографе "Цвет-100". Атомно-абсорб-дионным методом на спектрофотометре 11еркен-0льмер-403 были определены минеральные ЕещестЕа - калий, магний, железо и др.

В процессе изучения влияния на' культивирование уксусно-кис лих бактерий различных факторов изучалась динамика изменения концентраций в культуральной жидкости уксусной кислоты, этилоео го спирта, биомассы уксусно-кислых бактерий.

Исследования осуществлялись в условиях лаборатории на ха-чалке в на стокдоеих ферментационных установках различных конст рукций, а также в промышленных условиях на Сгерлитамакском с/в заводе и ЭПК им.25 лет Октября.

Расчоты технико-экономических показателей процессов культивирования уксусно-кислых бактерий вели в соответствии с приме кяоиши е уксусном производстве.

В третье;; г^чес "Выделение, отбор и изучение продуцента яблочного уксуса" изложен экспериментальна материал,на основе которого подобран гисоксш'хтшнй про.цуцеит яблочного уксус С это!! целью било выделено и исследовано 7 штаммов ук сусно-К1:сл1К бактерий из производственных аппаратов действующих у К су С-цо.чсч.

Продуценты Еыделялись из .окислителей и ферментеров уксусных цехов,'выпускающих биохимический уксус из различного сырья.

В лабораторных условиях на качалке на жидкой питательной среде, приготовленной из сброженного яблочного сока о добавлением спирта-ректификата и уксусной кислоты ( концентрация спирта в среде-7±1 %, уксусной кислоты 1,5-2,0 г/100 см3) проведен ряд эпытов по культивированию выделенных штэммое с целью отбора Наиболее продуктивного. Результаты приЕедены в та0л.1.

Продуктивность выделенных штаммов уксусно-кислых бактерий при глубинном культиЕировании •

начальные ед. гДООсм? ед.

сут т/т - сут> г/г • сут

Лн 0,12 1.6 0,62 6,4 0,220 9,6 43,6

СПС 0,13 1.7 . 0,62 ,7.8 0,220 12,2 55,4

ст одз 1,6 0,66 7.2 0,236 11,2 47,4

УСК 0,11 1.7 0,58 6,1 0,206 8,8 42,7

вш 0,14 .1.7 0,69 7.7 ■ 0,248 ' 12 48,4

ЛЕК 0,13 1.6 0,60 5,9 0,212 8,6 ' 40^

ЮС 0,12 1.7 0,68 6,4 0,244 9,4 38 ^ 5

На осноЕе полученных данных для дальнейших исследований ыл выбран штамм, получивший условное обозначение СТК, обладаний наибольшей продуктивностью среди исследуемых: 55,4 г уксусной ислоты с г биомассы е сутки. Дальнейшие опыты подтвердили высоко кислотообразующую активность штамма СПС е различных условиях рльтивирования.

При культивировании штамма СТК на ферментационной усмноико

в лабораториях условиях периодическим глубиннш способом получены данные, используя которое построены кривив, характеризующие особенности культивирования данного штамма (рис.1.).

На основе анализа полученных данных и в соответствии с ране<

изучении,ш свойствами развивающейся культуры уксусно-кислых бак-

терпи, установлены качественные показатели посевного материала: концентрация накопленной уксусной кислоты - 2,0-4,0 гДОО си3!, 'оптическая плотность культуральной жидкости - 0,3-0,'6 ед., что соответствует увеличению 'по сравнению с исходными значениями khcj ты в 1,5-2,0 раза, оптической плотности - в 1,5-2,5 раза.

Оптимальнее количество посевного материала с установленным! показателями определяли в процессе глубинного культивирования этажа СТК при изменении количества вносимого е среду инокулята^ от 1 до 50 г к объему среды; • .

Установили, что при периодическом глубин и ом культивировании штамма СТК олттаальноо количество посевного материала составляет 20 % от объема среды.

3 целях определения возмояной потребности продуцента в минеральном ;i органическом питании, используемом в произЕОдстве натурального уксуса, изучали влияние источников калия, магния и минерального азота, а также некоторых углеводоЕ на продуктивность уксусно-кислых бактерии (штамм СТК).

Как -известно, наиболее заметное влияние на рост и кислото-ебра эскизе уксусно-кпсяих бактерий оказывает уксусная кислота,Я1 дявдлся сильным ингибитором процессов жизнедеятельности бактери!

С цсльч изучения влияния аа вобранный штамм стартовой кон-

1'. к—»" О! Т / п л с г

Продолжительность культивирования, ч

Рис. I Динамика накопления биомассы ( Д ) и уксусной кислоты ( Р > в процессе культиЕиронаиня унсусно-кислнх бактерий ( штамм СТК ) периодическим глубинным способом

центрацик уксусной кислоты был осуществлен ряд циклов культивирования при различных стартовых концентрациях уксусной кислоты -

от I до 6 г/100 см3 (табл. 2). Суммарная концентрация составила' 8,0 ¡8.

Влияние стартовой концентрации уксусной кислоты, на продуктивность уксусно-кислых бактерий • _ 1

I Д 0,10 0,50 0,355 19,6 55,2

2 д 0,10 0,36 0,275 16,2 58,9

3 д .0,10 0,33 0,185 11,7 63^2

4 д • 0,10 0,18 • • 0,045 4,6 102,2

5 д ■ 0,10 • 0,15 0,025 2,2 90,0

6 д 0,10 0,14 • 0,020 1Д 55,0

Результаты исследований показали, что наибольший средний прирост кислоты ко вторым суткам культивирований бил отмечен в вариантах И I и К 2 - 19,6 и 1С,2 г/даэ-.сут, что соответствует стартовой концентрации уксусной кислоты 1-й 2 г/100 см3. Однако, нпиббльаой продуктивностью обладают клетки штамма СПС в условиях умеренного пнгкбироЕанпя роста биомассы при стартовой'концентрации уксусной кислоты 4 и 5 г/100 см3 - Ю2;2 и 90,0 г/г-сут соответственно .против 55-63 г/г-сут в других вариантах.

Для Еыбранного штамма уксусно-кислых бактерий (СТК) было установлено оптимальное значение рН среды, которое составило 3,04,0.

Четвертая глава "Исследование и разработка технологии получения яблочного уксуса из сброяенно-спиртованных яблочных соков периодическим глубинным способом" посвящена изучению влияния на процесс биосинтеза уксусной кислоты ряда факторов, определяющих эффективность процесса и разработка на осноеэ полученных результатов усовершенствованной технологии.

Изучен состав яблочных сброженно-спиртоЕанных соков, являющихся основным сырьем для производства яблочного уксуса. Сделан вывод о том, что регулировать метаболизм уксусно-кислых бактерий в данном случае целесообразно путем разработки прогрессивных ре- , яимов культивирования и технологических приемов, направленных на ингибирование роота. биомассы, '

Исследования по влиянии на процесс биосинтеза уксусной.кислоты концентрации субстрата в среде показали, что полностью субстрат, т.е. все нёобходимое количество единовременно, можно задавать только при получении периодическим глубинным способом уксуса с концентрацией уксусной кислоты 6 г/100 см3. Для получения уксуса с концентрацией кислоты 9 г/100 см3 и Еыше необходимо разработать способ внесения субстрата.

С этой целью был опробован режим с внесением субстрата дробно, е виде порций 9G,t-ro спирта, что позволило получить кондиционный яблочный уксус ( 9г/100 см3 уксусной кислоты) через 3,8 зуток и уксус с концентрацией 10,7 г/100 см3 через 6,8 суток.

В с^язи с тем, что-введение е среду этанола нецелесообразно хри наличии е качестве основного сырья сброженно-спяртоЕанного блочного сока с достаточно еысокой концентрацией спирта - 16 5ыл предложен и опробован следующий способ ведения процесса пс-

лучония яблочного уксуса с концентрацией уксусной кислоты 9 гДОО см3 (рис.2.);

- на начало цикла ферментер заполняется средой на 80 % рабочего объема. Суммарная концентрация кислоты и спирта составляет 8,0-8,5 %\ ■

- при-увеличении концентрации кислоты в ферментер вносится 16%-Н сброгценно-слиргованный яблочный сок до заполнения рабочего объема. .Суммарная концентрация 9,7-10,4 % обеспечивает получение кондиционного продукта.

Дополнительными исследованиями установлена концентрация уксус

ной кислоты, по достижении которой вносится субстрат. Она.составляет 6-7 г/100 см3.

Продолжительность культиЕироЕания1 ч

2, Динпмнкг роста и кислотообразования уксусно-кислых бактерии при дЕухстацийном внесений субстрата, (сброжея-но-слирговашшИ 16,яблочный сок).

Проверка, предложенного режима подтвердила возможность до-чения яблочного уксуса с концентрацией уксусной кислоты г/100 см3 за 3-5 суток.

В целях уточнения величины стартовой концентрации уксусной слоты в Условиях периодического культивирования на стендовой тановке был осуществлен ряд опытйе, в которых стартовую кон-нтрацию уксусной кислоты изменяли от 1,5 до 7 г/100 ал3 путем менения количества оставляемого й ферментере нскачествэ посеЕ-го материала сырого уксуса после очередного цикла. •

Таким образом, можно-сделать выеод, что в условиях произво-еэ в зависимости от того, какому технико-экономическому пока-алю -.производительности или выходу _т отдается предпочтение, ичину стартовой концентрации уксусноЯ 'кислоты сле.цует выбирать редела'х'2,0т5,0 г/100, см3.

Исследования по применению в качества посевного материала центрированной биомассы уксуснэ-кислнх'бактерий, сохранявшей, показали предварительные опыты, окислительную активность, позли целесообразность и Еысокуи эффективность применения нового ^логического приема. Концентрирование биомассы уксусно-кяс-бактерий осуществляли с помощью гомёраннсх : теггл/рг, и-.

Определена оптимальная степень концентрирования биомассы уксусно-кислых бактерий для использования ее в качестве посевнс материала (табл.3).

Влияние степени концентрирования биомассы уксуснокислых бактерий на процесс кислотообразования

Стецень [_П°к<ззатели культуральной аддкосхиг/100см3 ! ! j Е сут j

5 0,35 1,80 1,30 6,30 1,50 85

8 0,35 1,90 1,05 7,00 1,70 88

16 0,37 2,05 1,20 7,00 1,65 90

20 0,34 . 1,90 1,20 7,60 1,90 89

Контроль 0,37 1,90 1,20 7,30 1,80 87

lia основании полученных данных оптимальной степенью концентрирования биомассы уксусно-кислых бактерий является -20-ти кратная.

В дальнейших опытах установлено оптимальное количество* ко; центрированной биомассы для засева, составляющее 1-2 % от о<5ъе; среды, и продолкигельность-хранения концентрата без снижения окислительной активности, соответствующая 30 суткам.

Результаты, полученные в проведенных исследованиях, подтв дили целесообразность дальнейшего изучения.и промдаленного при нения концентрированной биомассы уксусно-кислых бактерий с цел интенсификации основной технологической стадии получения яблочного уксуса - стадии ферментации^ Использование концентрата 6i масса создает услоЕпя для разработки прогрессивной,мал,оотходнс экологически чистой технологии, отличающейся от традиционной

>лее' еысокими технико-экономическими показателями (прирост юлотн состэелял 1,7-1,9 г/1 CD см3 в сутки, быход - 89-91 %)., ,ем уксуса увеличивается с 50-80 % до 100 %, при практически элном отсутстЕии отходов производства и высокой культуре произ->дства.

Исследования возможности интенсифицировать процесс биосин-гза уксусной кислоты при помощи дополнительного количества ми-;рального азота.. показали, что Енесение 0,2 % фосфорнокислого •узамещенного аммония е среду с концентрацией субстрата 7 % не ¡азывает заметного елияния на процесс, при более высоких концен-тциях субстрата ( 9 и II*) отмечено положительное Елияние до-1лнительного количестЕа минерального азота на рост и кислотооб-зованре уксусно-кислых бактерий(штамм СТК).

С целью уточнения оптимальной температуры культивирования условиях периодического процесса, а также изучения еозможности типизации процесса путем подбора температурного режима иссле-Еали Елияние температуры на процесс кислотообразоЕания при раз-х концентрациях субстрата в среде.

Результаты опытое показали, что оптимум температуры сдвига-ся в сторону более низких температур с увеличением концентра-и субстрата в среде. На основе полученных данных и с учетом зработанного ДЕухсгадииного способа введения субстрата при по-чении 9£-го яблочного уксуса представляло интерес применить ременную, температуру с целью интенсификации процесса окисления, юльзуя преимущества io!i и .другой- температуры при разных сум-зных концентрациях. . «

Проведенные' исследования подтвердили эффективность пркме-яия режима с переменней температурой' культивирования: первой стадии процесса при сушарной концентрации 8,0-8,5 % шература поддерживается нз урогне 30°С;" при повышении eywiaр-

ной концентрации на 2-й стадии процесса температуру снижали до 25°С. В этом варианте производительность составила 31,3 кг при выходе 89 %, протиЕ 24,4 кг/м3.сут и 84,3 % (лучшие показатели при постоянной температуре). Результаты экспериментов пригеде в табл.4.

х Влияние температурного режима культиЕирования УКБ на технико-экономические показатели периодического процесса

ность цикла, ¡ность,.