Оптимизация технологических параметров процесса сбраживания сусла из сушеного топинамбура

УДК 663.4:635.24

Оптимизация технологических параметров процесса сбраживания сусла из сушеного топинамбура

В.А. Песчанская

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

Исследования, проведенные отечественными специалистами, показали перспективность использования топинамбура для производства спиртных напитков на основе дистиллятов. В работе обоснованы преимущества переработки сушеного топинамбура. Выбран одностадийный способ переработки сырья. Исследовано влияние подкисления смеси из сушеного топинамбура и воды в интервале pH 5,0-3,0 и дозировки ферментного препарата, содержащего экзоинулиназу, на крепость сброженного сусла и содержание в нем летучих компонентов. Установлено, что подкисление среды до pH 4,0-5,0 приводило к увеличению крепости сусла. Более существенное снижение pH угнетало развитие спиртовых дрожжей и приводило к снижению крепости сброженного сусла. Показано, что подкисление с 6,0 до 5,0-3,0 приводит к снижению содержания ацетальдегида, этилацетата, уменьшению количества метанола и суммарного содержания высших спиртов. С целью выявления оптимальных технологических параметров процесса сбраживания сусла из сушеного топинамбура была проведена математическая обработка результатов исследования. В качестве варьируемых факторов для оптимизации процесса были выбраны: дозировка микробной инулиназы (от 3,0 до 6,0 ед.ИН/г инулина сырья) и степень подкисления (от pH 5,0 до 4,0). Результаты математической обработки экспериментальных данных показали, что оптимальными значениями являются: дозировка микробной инулиназы - 4,5 ед.ИН/г инулина сырья, степень подкисления - pH 4,5.

Ключевые слова

оптимальные технологические параметры; сушеный топинамбур; сброженное сусло Цитирование

Песчанская В.А. (2019) Оптимизация технологических параметров процесса сбраживания сусла из сушеного топинамбура // Пищевая промышленность. 2019. № 1. С. 74-77.

Optimization of technological parameters of the process of fermentation of wort from dried Jerusalem artichoke

V.A. Peschanskaya

All-Russian Research Institute of the brewing, soft drinks and wine industry - a branch of the Federal Scientific Center of Food Systems after V.M. Gorbatov of RAS Abstracts

Studies conducted by domestic experts have shown the prospects of using Jerusalem artichoke for the production of alcoholic beverages based on distillates. The paper substantiates the advantages of processing dried Jerusalem artichoke. A one-stage method of raw material processing was chosen. The effect of acidification of a mixture of dried Jerusalem artichoke and

water in the pH range of 5,0-3,0 and the dosage of the enzyme preparation containing exonuclease on the alcohol content in the fermented wort and the content of volatile components in it was studied. It was found that the acidification of the wort to pH 4,05,0 led to an increase in the strength of the wort. A more significant decrease in pH inhibited the development of alcoholic yeast and led to a decrease in the strength of fermented wort. It is shown that acidification from 6,0 to 5,0-3,0 leads to a decrease in the content of acetaldehyde, ethyl acetate, a decrease in the amount of methanol and the total content of higher alcohols. In order to identify the optimal technological parameters of the process of fermentation of wort from dried Jerusalem artichoke was carried out mathematical processing of the results of the study. The dosage of microbial inulinase (from 3,0 to 6,0 inU/g of raw material inulin) and the degree of acidification (from pH 5,0 to 4,0) were chosen as variable factors for process optimization. The results of mathematical processing of experimental data showed that the optimal values are: the dosage of microbial inulinase - 4,5 inU/g of raw inulin, the degree of acidification - pH 4,5.

Key words

dried Jerusalem artichoke; fermented wort; optimal technological parameters Citation

Peschanskaya V.A. (2019) Optimization of technological parameters of the process of fermentation of wort from dried Jerusalem artichoke // Food processing industry = Pisshevaya promyshlennost. 2019. № 1. P. 74-77.

Неослабевающий на протяжении нескольких десятилетий интерес к использованию топинамбура в качестве сырья в пищевой промышленности в Российской Федерации и за рубежом связан с его уникальным биохимическим составом. Основными направлениями исследований в области применения данной сельскохозяйственной культуры являются разработки, направленные на получение инулина -полимера фруктозы, широко используемого при создании функциональных продуктов питания и биологически активных добавок, использование подготовленного различными способами топинамбура в качестве ингредиента пищевых продуктов и производство пектина. Известны разработки российских и зарубежных специалистов по получению этилового спирта путем ректификации сброженного сусла из топинамбура.

Как показали исследования, проведенные во ВНИИПБиВП, перспективным данный вид инулинсодержащего сырья является и для производства спиртных напитков на основе дистиллятов [1]. Авторами выполнены работы по получению дистиллятов из свежих клубней топинамбура [2, 3, 4] и обоснованы преимущества переработки сушеного топинамбура [5].

При подготовке сушеного топинамбура к дистилляции, с целью оптимизации режимных параметров, необходимо проводить глубокий ферментативный гидролиз инулина, но при этом не затрагивать либо минимально деструктурировать пектиновый комплекс данного вида инулинсодер-жащего сырья.

Известно, что пектин топинамбура характеризуется высокой степенью меток-силирования, то есть в случае ферментативного гидролиза сырья, под действием пектинэстеразы в готовом продукте может накапливаться сверхнормативное содержание метилового спирта. Установлено, что пектинэстераза топинамбура проявляет максимальную активность в нейтральной среде при рН 6,0-7,0. Путем подкис-ления сусла до рН 4,5-5,0 можно снизить ее активность на 25-50% [6]. Кроме того, подкисление, как известно, приводит также к улучшению микробиологической чистоты сбраживаемого сусла [7].

в винодельческой отрасли подкисление среды используют в т. ч. в случае переработки сырья с низкой кислотностью, например, груш [8], шелковичной мезги [9]. Такой технологический прием позволяет снизить интенсивность действия окислительных ферментов и интенсифицировать процесс синтеза ароматобразующих компонентов, что положительно отражается на органолептических показателях готово-

го напитка. Кроме того, по имеющимся литературным данным [10], снижение рН среды позволяет также уменьшить выработку дрожжами уксусной кислоты. Влияет рН среды и на прохождение реакции эфироо-бразования в процессе дистилляции [11].

Цель работы - изучение влияния дозировки микробной инулиназы и степени подкисления сусла, полученного из сушеного топинамбура одностадийным способом переработки сырья, на крепость сброженного сусла и содержание в нем основных летучих компонентов.

Дозировка микробной инулиназы (использовали отечественный ферментный препарат, содержащий экзоинулина-зу I пи1 А. Awamori [12]), варьировала в пределах от 3,0 до 6,0 ед. ИН/г инулина сырья (рекомендованная при двухстадий-ном способе подготовки сырья к дистилляции составляла 3,0 ед. ИН/ г инулина сырья).

Подкисление смеси из сушеного топинамбура и воды (гидромодуль 1:4,5) осуществляли путем внесения определенного количества 2М раствора H2SO4. Образец без подкисления имел кислотность равную рН 6,0. Сбраживание образцов сусла осуществляли с использованием сухих спиртовых дрожжей Fermiol, вносимых в количестве 100 мг/100 г сусла, процесс вели при температуре 28...30 °С в течение 72 ч.

Установлено (табл. 1), что с увеличением дозировки ферментного препарата крепость сброженного сусла из сушеного

топинамбура во всех проанализированных образцах возрастала. Подкисление среды до рН 4,0-5,0 приводило к некоторому увеличению данного показателя, однако более существенное снижение рН угнетало развитие спиртовых дрожжей и, как следствие, приводило к снижению крепости сброженного сусла в среднем на 0,26-0,33% об. против контроля.

При разработке технологии производства нового спиртного напитка на основе сбраживания сусла из топинамбура, кроме выхода безводного спирта из единицы переработанного сырья, определяемого крепостью сброженного сусла, необходимо учитывать его качественные характеристики, которые напрямую влияют на органолептические показатели готового продукта. Они, в данном случае, могут быть определяющими.

Установлено (табл. 2), что подкисле-ние среды влияет на содержание основных летучих компонентов в сброженном сусле.

выявлены следующие зависимости:

- снижение, независимо от уровня подкисления сусла в исследуемых пределах, содержания ацетальдегида (до 9,8 %) и этилацетата (в среднем на 30%);

- существенное уменьшение количества метанола с понижением рН в ряду 4,9-3,2;

- тенденция к снижению суммарного содержания высших спиртов при суще-

Таблица 1

Влияние дозировки микробной инулиназы и степени подкисления на крепость сброженного сусла из сушеного топинамбура

Дозировка микробной инулиназы, ед. ИН/г инулина сырья Крепость сброженного сусла, % об.

pH 6,0 pH 4,9 pH 4,1 pH 3,2

3,0 7,05 7,19 7,13 6,72

4,5 7,22 7,37 7,29 6,96

6,0 7,28 7,41 7,33 6,99

Таблица 2

Влияние подкисления на содержание летучих компонентов в сброженном сусле

Содержание летучих компонентов, мг/дм3 б. с. Контроль pH 6,0 Опыт 1 pH 4,9 Опыт 2 pH 4,1 Опыт 3 pH 3,2

Ацетальдегид 1547,1 1416,3 1395,7 1467,6

Этилацетат 161,3 115,3 101,0 113,1

Метанол 2589,5 2134,8 1461,0 654,5

Высшие спирты, в т. ч.: 3423,7 2984,9 2924,8 2852,5

1-пропанол 641,9 597,6 535,2 459,5

Изобутанол 894,0 700,2 611,8 544,9

Изоамилол 1887,8 1687,1 1777,8 1848,1

Энантовый эфир 38,3 43,2 27,6 30,1

Фенилэтиловый спирт 175,2 192,8 198,9 198,2

Сумма летучих компонентов* 7993,6 6954,4 6156,4 5375,9

* В таблице при расчете суммы летучих компонентов учитывались все идентифицированные примеси, некоторые из них в иллюстративный материал не включены.

Таблица 3

Подбор оптимальных параметров сбраживания сусла из сушеного топинамбура

№ п/п

Исследуемые факторы

Дозировка микробной инулиназы, ед. ИН/г инулина сырья

Степень подкисления

Суммарное содержание высших спиртов, мг/дм3 б. с.

У,

Содержание метанола, мг/дм3 б. с.

У

1 3,0 5,0 2942 2463

2 3,0 4,5 2800 2399

3 3,0 4,0 2695 2276

4 4,5 5,0 3107 2250

5 4,5 4,5 3095 1504

6 4,5 4,0 2875 1418

7 6,0 5,0 3121 2561

8 6,0 4,5 3055 2409

9 6,0 4,0 2973 2385

Исходные данные для расчета эффектов Таблица 4

№ п/п У Ж У2 Ж Ж

1 2942 0,897 2463 0,576 0,736

2 2800 0,919 2399 0,591 0,755

3 2695 0,864 2276 0,623 0,744

4 3107 0,996 2250 0,630 0,813

5 3095 0,992 1504 0,943 0,996

6 2875 0,921 1418 1,000 0,961

7 3121 1,000 2561 0,554 0,777

8 3055 0,979 2409 0,589 0,784

9 2973 0,953 2385 0,595 0,774

Таблица 5

Влияние технологических параметров на процесс сбраживания сусла из сушеного

топинамбура

1 Дозировка микробной инулиназы, ед. ИН/г инулина сырья 3,0 4,5 6,0

Эффект -0,071 0,098 -0,038

2 Степень подкисления (рН) 5,0 4,5 4,0

Эффект -0,041 0,020 0,010

подготовленного к дистилляции одностадийным способом, в работе использовали метод латинских прямоугольников [13], позволяющий сократить число экспериментов и одновременно варьировать изучаемые факторы на нескольких уровнях. Составление матрицы проводится так, что каждый уровень любого фактора сочетается одинаковое количество раз со всеми уровнями факторов.

Подбор оптимальных параметров сбраживания сусла из сушеного топинамбура представлен в табл. 3.

В число варьируемых факторов для оптимизации процесса сбраживания включены:

- дозировка микробной инулиназы (X,);

- степень подкисления (X2).

Экспериментальные значения показателей суммарного содержания высших спиртов (У,) преобразуем в их желательность (Жи), исходя из:

УЖ = Умах1, УЖ = 3121

Ж = У,/УЖ,

Экспериментальные значения показателей содержания метанола (у2) преобразуем в их желательность (Ж2), исходя из:

УЖ2 = У УЖ = 1418

2 min2' 2

Ж = УЖ2/У2

Обобщенные функции желательности Жо для каждого опыта вычисляем по формуле:

ственном изменении их процентного соотношения. Так, при pH 6,0 и дозировке микробной инулиназы 4,5 ед. ИН/ г инулина сырья соотношение изоамилола к сумме 1-пропанола и изобутанола составляет 1+1,23, при подкислении возрастает с 1+1,30 до 1+1,84.

в целом, анализ данных табл. 2 позволил сделать следующие выводы:

- подкисление среды способствует снижению содержания метанола, что однозначно является положительным процессом. Вероятнее всего, данный факт связан со снижением активности действия пекти-нэстеразы, а при pH 3,2 даже с частичной ее инактивацией;

- снижение содержания ацетальдегида и этилацетата также можно считать позитивным. Вместе с тем, уменьшение количества высших спиртов - летучих компонентов, значительно влияющих на орга-нолептические характеристики продукта,

может оказать негативное влияние на его качественные показатели.

С целью выявления оптимальных технологических параметров процесса сбраживания сусла из сушеного топинамбура,

Жо = (Ж1+ Ж2)/2

Изменение обобщенной функции желательности (Жо) в зависимости от дозировки микробной инулиназы и степени подкисления сусла показано на рис. 1.

3.0 3.5 4.0 -Ii 5.0 5.5 fi.O

Дозировка микробной инулиназы, ед. Ин/г инулина сырья

Рис. 1. Изменение обобщенной функции желательности (Жо) в зависимости от: А - дозировки микробной инулиназы; В - степени подкисления

pH

X

X

По результатам полученных значений Жо вычисляем эффекты (исходные данные для расчета эффектов представлены в табл. 4) каждого уровня для всех факторов по формуле:

Э = (ЕЖу|/^ - гДе:

Эу| - эффект уровня; ЕЖу| - сумма всех Жу| на данном уровне /-фактора; /-фактор - фактор на у-уровне; N - число вариантов; Жср - среднее арифметическое выхода процесса, которое находится по формуле:

Ж = ЕЖ /N

ср о>

Ж = 0,816.

ср

Результаты табл. 5 показывают, что максимальный эффект для первого и второго фактора находится на втором уровне. Следовательно, для исследованных факторов оптимальными значениями являются следующие:

- дозировка микробной инулиназы -4,5 ед. Ин/г инулина сырья;

- степень подкисления - рН 4,5.

Таким образом, проведенные исследования позволили обосновать режимные параметры одностадийного способа подготовки сушеного топинамбура к дистилляции, позволяющие получить дистиллят с оптимальным соотношением отдельных летучих компонентов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оганесянц, Л.А. Технико-экономическое обоснование перспектив производства спиртных напитков из топинамбура/Л.А. Оганесянц, В.А. Песчанская, В.П. Осипова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2016. -№ 4. - С. 5-9.

2. Крикунова, Л. Н. Некоторые аспекты производства дистиллята из клубней топинамбура (Часть 1. Динамика распределения летучих компонентов сброженного сусла при дистилляции)/Л.Н. Крикунова, В.А. Песчанская, Е.В. Дубинина // Техника и технологии пищевых производств (Кем ТИПП). -2017. - № 1. - С. 17-23.

3. Крикунова, Л.Н. Некоторые аспекты производства дистиллята из клубней топинамбура (Часть 2. Баланс распределения летучих

компонентов по фракциям)/Л.Н. Крикунова,

B.А. Песчанская, Е. В. Дубинина // Техника и технологии пищевых производств (Кем ТИПП). - 2017. - № 2. - С. 41-47.

4. Крикунова, Л. Н. Некоторые аспекты производства дистиллята из клубней топинамбура (Часть 3. Характеристика дис-тиллята)/Л.Н. Крикунова, В.А. Песчанская, Е. В. Дубинина // Техника и технологии пищевых производств (Кем ТИПП). - 2017. -№ 3. - С. 36-42.

5. Крикунова, Л.Н. Исследование биохимического состава топинамбура сушено-го/Л.Н. Крикунова [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2016. - № 8. -

C. 29-33.

6. Чечеткин, Д. В. Пектинэстераза топинамбура: активность, свойства/Д.В. Чечеткин, Г. П. Карпиленко, Л. Н. Крикунова // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2006. - № 3. - С. 18-19.

7. Технология спирта/Под ред. В.Л. Яро-венко. - М.: Колос. - 1999. - 464 с.

8. Оганесянц, Л.А. Совершенствование технологии переработки груши для производства дистиллятов/Л.А. Оганесянц [и др.] // Виноделие и виноградарство. - 2013. - № 2. -С. 10-13.

9. Оганесянц, Л.А. Способ получения шелковичного дистиллята // Патент РФ № 2560266. Опубл.: 20.08.2015., Бюл. № 23

10. Оганесянц, Л.А. Теория и практика плодового виноделия/Л.А. Оганесянц, А.Л. Па-насюк, Б.Б. рейтблат. - М.: Промышленно-консалтинговая группа «Развитие». - 2011. -396 с.

11. Мартыненко,Э.Я. Технология коньяка // Э.Я. Мартыненко. - Симферополь, «Таврида». -2003. - 320 с.

12. Волков, П. В. Выделение и свойства рекомбинантных инулиназ Aspergillus sp./П.В. Волков // Биохимия. - 2012. - том 77. -вып. 5. - С. 611-621.

13. Грачев, Ю.П. Математические методы планирования экспериментов/Ю.П. Грачев, Ю.М. Плаксин. - М.: Дели-принт, 2005. - 80 с.

REFERENCES

1. Oganesjanc, L.A. Tehniko-jekonomiches-koe obosnovanie perspektiv proizvodstva spirt-nyh napitkov iz topinambura/L.A. Oganesjanc, V.A. Peschanskaja, V.P. Osipova // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. - 2016. - № 4. -s. 5-9.

2. Krikunova, L.N. Nekotorye aspekty proizvodstva distilljata iz klubnej topinambura (Chast' 1. Dinamika raspredelenija letuchih komponentov sbrozhennogo susla pri dis-tilljacii)/L.N. Krikunova, V.A. Peschanskaja, E.V. Dubinina // Tehnika i tehnologii pishhevyh proizvodstv (Kem TIPP). - 2017. - № 1. -S. 17-23.

3. Krikunova, L.N. Nekotorye aspekty proizvodstva distilljata iz klubnej topinambura (Chast' 2. Balans raspredelenija letuchih komponentov po frakcijam)/L. N. Krikunova, V.A. Peschanskaja, E.V. Dubinina // Tehnika i tehnologii pishhevyh proizvodstv (Kem TIPP). -2017. - № 2. - S. 41-47.

4. Krikunova, L.N. Nekotorye aspekty proizvodstva distilljata iz klubnej topinambura (Chast' 3. Harakteristika distilljata)/L.N. Krikunova, V.A. Peschanskaja, E. V. Dubinina // Tehnika i tehnologii pishhevyh proizvodstv (Kem TIPP). - 2017. - № 3. - S. 36-42.

5. Krikunova, L. N. Issledovanie bio-himicheskogo sostava topinambura sush-enogo/ L. N. Krikunova [i dr.] // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. - 2016. - № 8. -S. 29-33.

6. Chechetkin, D. V. Pektinjesteraza topinambura: aktivnost', svojstva/D.V. Chechetkin, G.P. Karpilenko, L.N. Krikunova // Proizvodstvo spirta i likerovodochnyh izdelij. - 2006. - № 3. -S. 18-19.

7. Tehnologija spirta/Pod red. V.L. Jaroven-ko. - M.: Kolos. - 1999. - 464 s.

8. Oganesjanc, L. A. Sovershenstvovanie tehnologii pererabotki grushi dlja proizvodstva distilljatov/L.A. Oganesjanc [i dr.] // Vinodelie i vinogradarstvo. - 2013. - № 2. - S. 10-13.

9. Oganesjanc, L. A. Sposob polucheni-ja shelkovichnogo distilljata // Patent RF № 2560266. Opubl.: 20.08.2015., Bjul. № 23

10. Oganesjanc, L.A. Teorija i praktika plodo-vogo vinodelija/ L. A. Oganesjanc, A. L. Pa-nasjuk, B. B. Rejtblat. - M.: Promyshlenno-konsaltingovaja gruppa «Razvitie». - 2011. -396 s.

11. Martynenko, Je.Ja. Tehnologija kon'jaka // Je.Ja. Martynenko. - Simferopol', «Tavrida». -2003. - 320 s.

12. Volkov, P.V. Vydelenie i svojstva rekombi-nantnyh inulinaz Aspergillus sp./P.V. Volkov // Biohimija. - 2012. - tom 77. - vyp. 5. -S. 611-621.

13. Grachev, Ju.P. Matematicheskie metody planirovanija jeksperimentov/ Ju.P. Grachev, Ju.M. Plaksin. - M.: Deli-print, 2005. - 80 s.

Автор

Песчанская Виолетта Александровна

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, 1abcognac@mai1.ru

Author

Peschanskaya Violetta Aleksandrovna

All-Russian Research Institute of the brewing, soft drinks and wine industry - a branch of the Federal Scientific Center of Food Systems after V. M. Gorbatov of RAS, 7, Rossolimo str., Moscow, 119021, labcognac@mail.ru