Применение биосорбентов в пивоварении. Часть I. Исследование условий биосорбции цинка

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВА ПИВА и НАПИТКОВ

ТЕМА НОМЕРА

УДК 663.45

Применение биосорбентов в пивоварении

Часть I. Исследование условий биосорбции цинка

М. В. Гернет,

д-р техн. наук, профессор;

К. В. Кобелев,

канд. техн. наук;

И.Н. Грибкова,

канд. техн. наук;

Е.В. Хорошева

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности -филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН

В пивоваренной отрасли вопросам влияния условий брожения на образование метаболитов или вторичных продуктов брожения посвящено много исследований. Они учитывают регулирование таких технологических факторов, как аминокислотный и углеводный состав охмеленного пивного сусла, аэрирование при главном брожении, аппаратурные особенности аппаратов для брожения, применение различных подкормок для дрожжей и т. п.

Применение биосорбентов различной природы в пивоварении, обладающих избирательной сорбционной способностью, исследуют сравнительно недавно.

На сегодняшний день известно много разновидностей биосорбентов, их производство базируется на сорбентах-молекулах, либо на микроорганизмах или препаратах на их основе.

Известны биосорбенты на основе микроорганизмов, таких как Aspergillus foetidus М-45, Pleurotos ostreatus, Rizopus oryzae, винных дрожжей, водорослей и др. [1-7]. Применение данных препаратов позволяет сорбировать радионуклиды и токсичные металлы, выявлять синтетические пищевые красители в напитках, очищать сточные воды и др.

Применение микроорганизмов в качестве сырья для сорбентов оправдано, поскольку отличается рядом преимуществ: многообразием, доступностью, воспроизводимостью, низкой себестоимостью и возможностью перерабатывать отработанные генерации на основе принципов безотходных технологий.

Исследователи пришли к выводу, что на сорбционную способность ми-

кроорганизмов влияет ряд факторов: род (бактерии ^ дрожжи ^ грибы); возраст клетки; форма связанного металла (радиус иона, валентность) и биосорбента; условия культивирования (источники углерода, питательные вещества, состав среды культивирования), условия биосорбции (рН среды, температура, время контакта, сопутствующие ионы в растворе, начальная концентрация металла и биомассы, реакционность иона металла) [8].

Основным фактором, влияющим на выбор культуры микроорганизма в целях сорбции, для пивоварения служит осуществление сорбции без влияния на органолептические и физико-химические показатели пива, сравнительно легкое отделение биосорбента от конечного продукта (пива), возможность применения традиционной культуры микроорганизмов для пивоварения, разработка безотходной технологии.

К такой культуре относятся дрожжи Saccharomyces cеrevisiae, которые показали себя как эффективные сорбенты [8]. Влияние микроэлементов на дрожжи S. cerevisiae представлено в табл. 1 [9-12].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что важно контролировать макро- и микроэлементный состав питательной среды для дрожжей.

В настоящем исследовании основное внимание было уделено ионам цинка, необходимым для синтеза белка и размножения клеток дрожжей. При его недостатке замедляется размножение дрожжей, происходит вялое брожение, что приводит к неполному восстановлению диацетила. Поэтому понятна заинтересованность пивова-

12 ПИВО и НАПИТКИ 3•2018

Современные технологии для производства пивай напитков

ров в максимально возможном сохранении цинка, содержащегося в сырье. Известно, что его количество в процессе затирания постоянно уменьшается, и если оно будет составлять менее 0,10,15 мг/дм3, могут возникнуть трудности при спиртовом брожении [13].

При анализе биосорбции препаратов применяли атомно-адсорбци-онный метод спектроскопии для определения ионов Zn2+ по ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов» и проводили сорбцию на основе модельных растворов солей ZnSO4 • 7Н20.

Способность к сорбции Zn2+ исследовали у биосорбента, полученного ранее, на основе клеток дрожжей [14]. Исследование сорбционной способности ионов Zn2+ в модельном растворе проводили с применением различных органических кислот — лимонной, молочной, янтарной и аскорбиновой.

Полученный биосорбент добавляли в количестве 0,05 % на объем раствора с ионами Zn2+ (50 мг на 100 см3), выдерживали различное время (30, 60, 120, 180 мин) при температуре 20 °С, фильтровали и определяли оставшиеся в среде ионы Zn2+ (рис. 1). Контролем служил исходный раствор, содержащий 0,41 мг/дм3 ионов Zn2+ (в виде соли ZnSO4 • 7Н20 в количестве 2 мг/дм3). Сорбционную способность вычисляли по разнице между исходной концентрацией ионов Zn2+ и содержанием оставшихся ионов Zn2+ после сорбции. Полученные данные представлены в табл. 2.

Таблица 1

Ион Лимитирующая концентрация Характер влияния на дрожжи

Мд2*, мг/дм3 Не более 170 Входит в состав ферментов гликолиза, необходимых для роста и брожения

Са2*, мг/дм3 Не более 281 Стимулирование флокуляции дрожжей, фактор роста

Fe2*, мг/дм3 Более 0,2 Синтез ферментов дыхания, усиление почкования, при превышении лимитирующей концентрации приводит к дегенерации дрожжей

Мп2*, мг/дм3 Не более 0,2 Кофактор ферментов, повышает бродильную активность, способствует росту дрожжей

Си2*, мг/дм3 Более 10 Способствует синтезу ферментов дыхания, повышает бродильную активность, усиливает почкование, при превышении лимитирующей концентрации служит токсичным элементом

Ип2*, мг/дм3 0,1-0,2 Стимуляция размножения, способствует флокуляции дрожжей

С1-, мг/дм3 500 Замедление брожения, снижение флокуляции

5Ю32-, мг/дм3 Более 10 Замедляет брожение, влияя на диффузионные процессы в клетке

Со2*, г/кг 100 Фактор роста

В, Со, Мо, J2 Нет данных Повышение выхода дрожжей, увеличение бродильной активности

А1, мг/дм3 54

мг/дм3 3 Задерживают рост и размножение дрожжей в концентрациях,

Ад, мг/дм3 0,01 превышающих лимитирующие значения

As, мг/дм3 5

ж 60-г Й 50" Ё ш

¡5 40 -

30 -

^р СО

(и о §^20-и ю

¡3 10 ~ ! 0

30 60 120

Продолжительность сорбции, мин -♦- Лимонная кислота -- Аскорбиновая кислота -А- Янтарная кислота -•- Молочная кислота

Рис. 1. Зависимость сорбции цинка от применяемой органической кислоты

180

Лучшей биособционной способностью обладал раствор 0,05 % биосорбента с подкислением до рН 5,0 янтарной кислотой и временем сорбции 60 мин. Вероятно, применение янтарной кислоты позволяет увеличить по-

Таблица2

Показатель Время сорбции, мин

30 60 120 180

1 Лимонная кислота 1

Концентрация ионов Ип2*:

в растворе, мг/дм3 0,38 0,39 0,37 0,34

связано, мг/дм3 0,03 0,02 0,04 0,07

связано, % 7,3 4,9 9,8 17,1

Аскорбиновая кислота

Концентрация ионов Ип2*:

в растворе, мг/дм3 0,21 0,26 0,25 0,24

связано, мг/дм3 0,2 0,15 0,16 0,17

связано, % 48,8 36,6 39,0 41,5

Янтарная кислота

Концентрация ионов Ип2*:

в растворе, мг/дм3 0,22 0,22 0,28 0,23

связано, мг/дм3 0,18 0,19 0,13 0,18

связано,% 46,3 47,0 31,7 43,9

Молочная кислота

Концентрация ионов Ип2*:

в растворе, мг/дм3 0,30 0,22 0,25 0,22

связано, мг/дм3 0,11 0,19 0,16 0,19

связано, % 26,8 46,3 39,0 46,3 |

верхность активных сайтов клеточных стенок.

Были детально изучены условия сорбции — температура и продолжительность процесса, рН среды, концентрация самого сорбента. Зависимость между количеством сорбента и временем выдержки представлена в табл. 3 и рис. 2.

Как видно, максимальная сорбция (около 50 %) происходит в присутствии янтарной кислоты на 60 мин контакта при количестве сорбента 50 мг. Эти данные согласуются с ранее проведенными исследованиями, в которых также было установлено, что более низкие значения емкости цеолитов и других сорбентов по отношению к П+ связаны с его сильной гидратационной способностью, а также, вероятно, с отсутствием узких каналов или закрытых ниш (сайтов), в которых данный катион мог бы «задерживаться» [15].

Температуру сорбции исследовали на модельном растворе сульфата цинка (рис. 3), причем концентрация ионов цинка составила 0,53 мг/дм3.

Оптимальная температура для проведения сорбции — 6 °С, что со-

£ ш

2

0

1

<

2 ш

ь

3•2018

ПИВО и НАПИТКИ 13

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВА ПИВАи НАПИТКОВ

В

ä Ш

I

0

1

<

I ш I-

гласуется с литературными данными [16]. Эффект менее продолжительной сорбции объясняется тем, что сорбция на инактивированных клетках дрожжей — процесс двоякий. Сначала

происходит сорбция, затем десорбция. Таким образом, время 30 мин требуется для сорбции, затем ионы Zn2+ открепляются с поверхности сорбента и переходят в раствор — десорбция на-

* 50

й 40

а § зо

: го

' Ü 10 О

! 0

180

30 60 120

Продолжительность сорбции, мин -♦- 50 мг сорбента -И- 100 мг сорбента -А- 200 мг сорбента 500 мг сорбента

Рис. 2. Влияние концентрации сорбента на количество адсорбированного цинка

30 60 120

Продолжительность сорбции, мин -♦- 25 °С -- 18 °С -А- 6 °С

180

Рис. 3. Влияние температуры сорбции на количество адсорбированного цинка

Таблица 3

Показатель Время выдержки, мин

30 60 120 180

Концентрация сорбента, % 0,05 I

Концентрация ионов Zn2*:

в растворе, мг/дм3 0,25 0,23 0,29 0,3

связано, мг/дм3 0,18 0,20 0,14 0,13

связано,% 41,8 46,5 32,5 30,2

Концентрация сорбента, % 0,1

Концентрация ионов Zn2*:

в растворе, мг/дм3 0,27 0,31 0,28 0,32

связано, мг/дм3 0,16 0,12 0,15 0,11

связано,% 37,2 28,0 34,9 25,6

Концентрация сорбента, % 0,2

Концентрация ионов Zn2*:

в растворе, мг/дм3 0,34 0,34 0,32 0,33

связано, мг/дм3 0,09 0,09 0,11 0,10

связано,% 21,0 21,0 25,6 23,2

Концентрация сорбента, % 0,5

Концентрация ионов Zn2*:

в растворе, мг/дм3 0,37 0,40 0,39 0,37

связано, мг/дм3 0,06 0,03 0,04 0,06

связано,% 14,0 7,0 9,3 14,0

Таблица 4

Показатель 4,5 5,0 рН раствора 5,4 6,0

Концентрация ионов Zn2*:

в растворе, мг/дм3 0,25 0, 2 оо 0,25 0,20

связано, мг/дм3 0,16 0,13 0,16 0,21

связано,% 39,0 31,7 39,0 51,2

рН раствора после сорбции 5,4 5,5 5,8 5,9

блюдается в течение 60 мин (исходя из полученных данных). Далее наступает вторая волна сорбции, но не такой эффективной, как за первые 30 мин.

Способность биосорбента к сорбции ионов Zn2+ при различных рН представлена в табл. 4 (исходный раствор содержал 0,41 мг/дм3 ионов Zn2+).

Лучшее рН — 6,0 для сорбции, что объясняется наличием на поверхности клеточных стенок групп ОН-, способных притягивать катионы Zn2+. При более кислых значениях рН на поверхности клеточных стенок преобладает заряд Н+, что способствует отталкиванию ионов металла с поверхности биосорбента.

Таким образом, в результате исследований были подобраны условия сорбции ионов Zn2+: концентрация сорбента — 0,05 %; температура сорбции — 6 °С; продолжительность сорбции — 30 мин при рН 6,0 в присутствии янтарной кислоты. Работы по оптимизации сорбции и десорбции Zn2+ продолжаются.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент 2077571 РФ, МПК C12N1/00, C12N1/38, B01J20/22, C08B37/06. Способ получения биосорбентов / Б. А. Величко, Л.Н. Кириллова, Л.А. Тумовский, А.А. Рыжа-кова, М. В. Волохова; заявитель и патентообладатель Б.А. Величко. — № 93053263/13; заявл 25.11.1993; опубл. 20.04.1997.

2. Патент 2137399 РФ, A23L1/30, A23J1/18, A61K35/72. Способ применения биосорбента для выведения из организма тяжелых металлов /Е. Е. Текуцкая, Н. П. Они-щенко, Г. Л. Лошкарев [и др.]; заявитель и патентообладатель НПФ «Аквазинэль». — № 98106289/13; заявл. 07.04.1998; опубл. 20.09.1999.

3. Патент 2219997 РФ, МПК B01J20/22, A23L1/23, A23L1/28. Способ получения пищевого биосорбента /В. Ф. Колесникова, В. И. Колесников; заявитель и патентообладатель Колесникова В. Ф., Колесников В. И. — № 2002100720/13; заявл. 17.01.2002; опубл. 27.08.2003.

4. Антоненко, М.В. Перспективы применения сорбента на основе инактивированных дрожжевых клеток в технологии виноградных соков с целью удаления фунгицидов группы триазолов / М. В Антоненко, Т. И. Гу-гучкина // Вестник ГНУ СКЗНИИСиВ Рос-сельхозакадемии. — 2012. — №3. — С. 12-17.

5. Комиссарчик, С.М. Получение биосорбентов для выявления синтетических пищевых красителей в напитках: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 03.01.06 / С. М. Комиссарчик; С.-Петерб. гос. технол. ин-т. — СПб., 2011. — 19 с.

0

14

ПИВО и НАПИТКИ 3 • 2018

Современные технологии для производства пивай напитков

6. Лескива, М.В. Очистка товарного электролита от примесей цветных металлов после десорбции золота с активированного угля/ М. В. Лескива, Н. В. Белоусова, С. В. Дроздова // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. — 2012 (5). — № 7. — С. 744-751.

7. Пухов, В. В. Биосорбция металлов эука-риотными микроорганизмами: анализ методом icp-ms / В. В. Пухов [и др.] // Biogeochemistry and Biotechnology. — 2015. — Vol. 21. — Pp. 10-15.

8. Wang, J. Boisorbtion of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae / J. Wang, C. Chen // Biotecnology Advances. — 2006. — Vol. 24. — Pp. 427-451.

9. Римарева, Л.В. Теоретические и практи-

ческие основы биотехнологии дрожжей / Л. В. Римарева. — М.: ДеЛи принт, 2010. — 252 с.

10. Меледина, Т.В. Физиологическое состояние дрожжей: Учебное пособие / Т. В. Меледина, С. Г. Давыденко, Л. М. Васильева. — СПб.: НИУ ИТМО ИХиБТ, 2013. — 48 с.

11. Пономарева, О.И. Влияние условий культивирования на выход и качество хлебопекарных дрожжей / О. И. Пономарева, В. Г. Черныш, И. П. Прохорчик // Процессы и аппараты пищевых производств. — 2011. — № 1. — С. 173-183.

12. Меледина, Т.В. Сырье и вспомогательные материалы в пивоварении / Т. В. Меледина. — СПб.: Профессия, 2003. — 112 с.

13. Кунце, В. Технология солода и пива / В. Кун-

це, Г. Мит. — СПб.: Профессия, 2003. — 912 с.

14. Гернет, М.В. Применение биосорбентов в производстве напитков /М. В. Гернет, И. Н. Грибкова, К. В. Кобелев // Инновации в пищевой биотехнологии: Сб. трудов Междунар. симпозиума. — Кемерово, 2018. — С. 96-104.

15. Челищев, Н. Ф. Цеолиты — новый тип минерального сырья / Н. Ф. Челищев, Б. Г. Берштейн, В. Ф. Володин. — М.: Недра, 1987. — 176 с.

16. Thippeswamy, B. Study on heavy metals Biosorption ability of S. Cerevisiae /B. Thippeswamy, C. K. Shivakumar, M. Krishnappa// Int. J. Of biological research. — 2014. — Vol. 2 (2). — Pp. 106-115. <

£ ш

2 0

1

<

2 ш b

Применение биосорбентов в пивоварении. Часть I. Исследование условий биосорбции цинка

Ключевые слова

биосорбция; брожение; микроорганизмы; микроэлементы; сорбенты. Реферат

В пивоваренной отрасли вопросам влияния условий брожения на образование метаболитов или вторичных продуктов брожения посвящено много исследований - они учитывают регулирование таких технологических факторов, как аминокислотный и углеводный состав охмеленного пивного сусла, аэрирование при главном брожении, аппаратурные особенности аппаратов для брожения, использование различных подкормок для дрожжей и т. п. Применение биосорбентов различной природы в пивоварении. обладающих избирательной сорбционной способностью, исследуют сравнительно недавно. На сегодняшний день известно много разновидностей биосорбентов. Их производство базируется на сорбентах-молекулах, либо на микроорганизмах или препаратах на их основе, что оправдано, поскольку отличается рядом преимуществ. Основной фактор, влияющий на выбор культуры микроорганизма в целях сорбции для пивоварения, - осуществление сорбции без влияния на органолептические и физико-химические показатели пива, сравнительно легкое отделение биосорбента от конечного продукта (пива). возможность применения традиционной культуры микроорганизмов для пивоварения, разработка безотходной технологии. Приведены литературные данные по заметному влиянию микроэлементов на дрожжи 5. сеге^аае и сделан вывод о важности контроля макро- и микроэлементного состава питательной среды для дрожжей, особенно цинка. Этот элемент необходим для синтеза белка и размножения клеток дрожжей. При его недостатке замедляется размножение дрожжей. происходит вялое брожение, что приводит к неполному восстановлению диацетила. Поэтому понятна заинтересованность пивоваров в максимально возможном сохранении цинка. содержащегося в сырье. Известно, что его количество в процессе затирания постоянно уменьшается, и если оно будет составлять менее 0,1-0,15 мг/дм3, могут возникнуть трудности при спиртовом брожении. Приведены результаты исследования по подбору условий сорбции ионов Ип2*: концентрации сорбента (0,05%); температуры сорбции (6 °С); продолжительности сорбции (30 мин) и рН сорбции (6,0) в условиях присутствия янтарной кислоты. Работы по оптимизации сорбции и десорбции Ип2* продолжаются.

Авторы

Гернет Марина Васильевна. д-р техн. наук, профессор; Кобелев Константин Викторович. канд. техн. наук; Грибкова Ирина Николаевна. канд. техн. наук; Хорошева Елена Владимировна

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности -филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, 119021, Россия, г. Москва, ул. Россолимо, д. 7, тБ^М-Ьее^таНш, kobelev@vniinapitkov.ш. pitminvod@maiLш

Biosorbent Application in Brewing.

Part I. Investigation of Zinc Biosorption Conditions

Key words

biosorption; fermentation; microorganisms; microelements; sorbents. Abstract

In the brewing industry, a lot of research has been devoted to the influence of fermentation conditions on the formation of metabolites or secondary fermentation products - they take into account such technological factors regulation as the amino acid and carbohydrate composition of hopped wort, aeration at the main fermentation, apparatus features of fermentation apparatuses, the use of various fertilizing for yeast etc.The various nature biosorbent use in brewing, which possess selective sorption ability, has been studied relatively recently. Today, many biosorbent varieties are known: their production is based on sorbent-molecules, or on microorganisms or preparations based on them, which is justified, since it has a number of advantages. The main factor which influenced on microorganism culture choice for sorption in brewing is sorption without affecting the organoleptic and physicochemical beer parameter, the relatively easy separation of the biosorbent from the final product (beer), the possibility of traditional culture of microorganisms using for brewing, the development of wasteless technology. The authors provide literature data on the significant effect of trace elements on the yeast S.cerevisiae and conclude that it is important to control the macro-and microelement composition of the nutrient medium for yeast, especially zinc. This element is necessary for protein synthesis and multiplication of yeast cells. With its lack, the reproduction of yeast slows down, sluggish fermentation occurs, which leads to an incomplete recovery of diacetyl. Therefore, the interest of brewers in the maximum possible preservation of zinc contained in raw materials is understandable. It is known that its amount is constantly decreasing during the mashing process, and if it's less than 0.1-0.15 mg/l, difficulties can arise with alcohol fermentation. Studies are given on condition selection for sorption of Zn2+ ions: sorbent concentration (0.05%); sorption temperature (6 °C); the duration of sorption (30 min) and the sorption pH (6.0) under the conditions of succinic acid presence in the medium. Works on optimization of sorption and desorption of Zn2+ by the authors are continuing.

Authors

Guernet Marina Vasilievna, Doctor of Technical Science, Professor; KobelevKonstantin Viktorovich,Candidate of Technical Science; Gribkova Irina Nikolaevna, Candidate of Technical Science; Horosheva Elena Vladimirovna

All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industry - Branch of Gorbatov Research Center for Food Systems of RAS, 7 Rossolimo Str., Moscow, 119021, Russia, institut-beer@mail.ru, kobelev@vniinapitkov.ru, pitminvod@mail.ru

3•2018 ПИВО и НАПИТКИ 15