Laboratorium - biotechnologia ogólna - dla studentów kierunku biotechnologia wersja 1.2 PRODUKCJA BIOMASY CZ 4. Gorzelnictwo

Transkrypt

1 Gorzelnictwo Przemysł fermentacyjny dostarcza na rynek duże ilości wyrobów takich jak: wino, piwo i spirytus (z którego otrzymuje się wódki). Przy wyrobie tych napojów wykorzystuje się funkcje życiowe komórek drożdży, przekształcających cukry w etanol. Surowce, z których otrzymuje się alkohol muszą zatem zawierad odpowiednie cukrowce. Roztwory sacharozy mogą byd bezpośrednio poddane fermentacji z udziałem drożdży, natomiast wielocukry (np. skrobia) nie ulegają fermentacji i muszą byd uprzednio poddane hydrolizie do tzw. cukrów fermentujących, głównie cukrów prostych i dwucukrów metabolizowanych przez drożdże. Gorzelnictwo jest to gałąź przemysłu fermentacyjnego obejmująca produkcję spirytusu surowego na drodze fermentacji alkoholowej cukrów, a następnie wydzielenie tego spirytusu z odfermentowanego zacieru. Do produkcji spirytusu wykorzystuje się wiele surowców roślinnych zawierających różne węglowodany. Można je podzielid na dwie grupy: - surowce zawierające wielocukry: ziemniaki, zboża, odpady krochmalnictwa, mąki, kasze, otręby - surowce zawierające cukry bezpośrednio fermentujące, głównie sacharozę, glukozę, fruktozę: melasa, buraki cukrowe, trzcina cukrowa, marchew, owoce świeże i suszone, odpady przemysłu owocowego. W gorzelnictwie ziemniaczanym i zbożowym produkcja spirytusu obejmuje następujące etapy: parowanie surowca, zacieranie, fermentację zacieru i odpęd spirytusu. - Parowanie ma na celu rozluźnienie substancji międzykomórkowych, rozerwanie błon komórkowych, uwolnienie skrobi, skleikowanie jej i w maksymalnym stopniu przeprowadzenie jej w stan rozpuszczony. Odbywa się to w aparatach zwanych parnikami pod ciśnieniem około 390 kpa (4 atm). - Zacieranie - do uparowanych surowców dodaje się słód jęczmienny w postaci rozdrobnionej lub tzw. mleczka słodowego i poddaje zacieraniu obejmującemu szereg procesów enzymatycznych. Do najważniejszych należą procesy hydrolizy skrobi, potocznie określane jako scukrzanie skrobi. W temperaturach zbliżonych do 60 0 C amylaza oraz inne enzymy słodu mają wystarczającą aktywnośd (optimum dla słodu jęczmiennego mieści się w przedziale C), oraz zostaje ograniczony rozwój niepożądanych drobnoustrojów. - Fermentacja zacieru - do scukrzonego zacieru (zacieru słodkiego) dodaje się zawiesinę drożdży po wcześniejszym wychłodzeniu do temperatury fermentacji. W gorzelnictwie stosuje się specjalne rasy drożdży należące do gatunku Saccharomyces cerevisiae. Są to drożdże górnej fermentacji, silnie rozmnażające się, szybko fermentujące (glukozę, fruktozę, sacharozę, maltozę, niektóre rasy: mannozę, galaktozę, laktozę i rafinozę), dające stężenie alkoholu etylowego do 10 11%. Zacier słodki po zadaniu drożdżami poddaje się fermentacji. W skrócie proces fermentacji obejmuje glikolizę prowadzącą do powstania z cukrów kwasu pirogronowego CH 3 COCOOH, następnie jego nieoksydacyjną dekarboksylacje do aldehydu octowego oraz redukcję tego ostatniego do etanolu pod wpływem współdziałającej z NAD dehydrogenazy alkoholowej. W czasie fermentacji wyróżniamy 3 okresy: zafermentowanie, fermentację główną (burzliwą) i dofermentowanie. W fazie zafermentowania następuje intensywne rozmnażanie drożdży, które ulega osłabieniu w miarę zmniejszania się zawartości tlenu i wzrostu stężenia alkoholu etylowego. Okres fermentacji głównej charakteryzuje zahamowanie rozmnażania drożdży i intensywna fermentacja (zmniejszenie gęstości zacieru o 1 0 Blg na godzinę). Po zakooczeniu fermentacji głównej poziom zacieru opada i rozpoczyna się najdłuższy okres dofermentowanie (gęstośd zacieru spada do 3,5 5 0 Blg). Ma on duże znaczenie dla wydajności alkoholu, ponieważ dopiero teraz następuje ostateczna hydroliza dekstryn pod wpływem enzymów i odfermentowanie powstałych cukrów redukujących. Proces fermentacji trwa zwykle 2 (temp C) lub 3 (temp C) doby, w tym zafermentowanie godzin, fermentacja główna godzin, dofermentowanie ok. 30 godzin. Powyżej zawartości 5% alkoholu w fermentującym zacierze następuje zahamowanie rozmnażania drożdży. Fermentacja ustaje przy stężeniu alkoholu ok. 10%. Wydajnośd teoretyczna etanolu 100 kg skrobi 56,82 kg = 71,54 dm kg maltozy, sacharozy 53,83 kg = 67,77 dm kg glukozy 51,14 kg = 64,39 dm kg owoców 3,5 kg = 6,0 dm 3

2 Wydajnośd praktyczna Z zacierów skrobiowych około 66,67 dm 3 bardzo dobra Drożdże dzikie w gorzelnictwie są bardzo szkodliwe ze względu na ograniczenie wydajności spirytusu do kilku procent (zużywają resztę cukrów na przyrost własnej biomasy). Znajdują one zastosowanie jako drożdże paszowe (po wysuszeniu) wykorzystują ubogie podłoża. Typowe drożdże dzikie w gorzelnictwie: Mycoderma, Willa, Pichia, Torula, Monilia. Niekorzystnym zjawiskiem podczas fermentacji jest pienienie na które wpływają: rasa drożdży, zła jakośd ziemniaków (przemarznięte, zgniłe), buraki, gęsty melas lub mieszanina melasu z ziemniakami (do zacieru w gorzelni rolniczej można stosowad do 10% melasu) Do gaszenia piany stosuje się oleje roślinne, oleje porafinacyjne, kwasy tłuszczowe, słód owsiany (4% tłuszczu). Nie wolno natomiast stosowad olejów mineralnych (nafty, oliwy itp.). Produkty fermentacji alkoholowej: - główne: alkohol etylowy, dwutlenek węgla, - uboczne: estry, aldehydy (aldehyd octowy), metanol, przedgon wyższe alkohole (fuzle alkohol amylowy, propylowy, izobutylowy) ok. 0,4% w surówce, kwasy organiczne (mlekowy, octowy, bursztynowy, malonowy, masłowy) glicerol (gliceryna), Znaczenie gospodarcze gorzelnictwa generalnie pomaga rolnictwu w racjonalnej gospodarce plonami, w zagospodarowaniu odpadów przemysłu spożywczego, jak również odpowiada za zwrot glebie mineralnych składników zawartych w surowcu. Etanol ma szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, spożywczym, farmaceutycznym, farb i lakierów, kosmetycznym, materiałów wybuchowych itp. Spirytus jest to wodny roztwór alkoholu etylowego. Przemysłowa produkcja spirytusu obejmuje dwa etapy: najpierw w gorzelniach uzyskuje się spirytus surowy (tzw. surówkę), a w zależności od surowca może to byd spirytus melasowy, ziemniaczany, zbożowy, owocowy, winny. Następnie spirytus podlega oczyszczeniu, czyli tzw. rektyfikacji (oparta jest na zasadzie wielokrotnej destylacji), przy czym uzyskuje się spirytus rektyfikowany (rektyfikat). Spirytusy surowe mają moc i zawierają większą lub mniejszą ilośd ubocznych produktów fermentacji, a w szczególności fuzli, nadających surówce nieprzyjemny smak i zapach. Spirytus rektyfikowany ma różną moc w, zależności od stopnia oczyszczenia, a więc rektyfikat zwykły co najmniej 96 0, a rektyfikat wyborowy lub luksusowy co najmniej 96,5 0. Spirytusy surowe zawierają w swoim składzie pewne ilości zanieczyszczeo. Rodzaj tych zanieczyszczeo zależy w głównej mierze od surowca użytego do fermentacji i sposobu jej przeprowadzenia, natomiast ich ilośd przede wszystkim od rodzaju aparatu odpędowego. Ogólna ilośd zanieczyszczeo w spirytusach surowych wynosi średnio około 0,5% w stosunku do ilości etanolu. Stwierdzono m.in. obecnośd następujących związków: - aldehydy (octowy, propionowy) - alkohole (metylowy spożycie g metanolu może spowodowad śmierd!) - kwasy (octowy, propionowy) - estry (mrówczan etylu i mrówczan metylu) - ketony (aceton, diacetyl). Niektóre zanieczyszczenia występują w ilościach śladowych, mimo to ich obecnośd może wpływad na własności smakowo zapachowe. Spirytus rektyfikowany powinien byd bezbarwny (jedynie spirytus zwykły może wykazywad lekki odcieo żółtej barwy), klarowny, bez osadów, zawiesin i zanieczyszczeo obcymi ciałami, o zapachu i smaku czystego alkoholu etylowego. Winiarstwo pogon Wino jest to napój otrzymywany przez fermentację alkoholową winogron albo moszczu gronowego (wino gronowe) lub owoców, względnie moszczu owocowego (wino owocowe). Takie określenie stosowane jest w Polsce, natomiast w Unii Europejskiej kraje winiarskie zezwalają na stosowanie nazwy wino tylko w celu określenia wina gronowego wyprodukowane z owoców rosnących w ściśle określonych rejonach. Wszelkie napoje otrzymane z innych owoców niż winogrona nie mogą nazywad się winem, lecz powinny byd określane w inny sposób (np. wino jabłkowe jest nazywane cydrem). - Wino gronowe - napój otrzymywany przez fermentację alkoholową świeżych winogron lub moszczu gronowego. Jest to definicja ogólna, która w różnych krajach ulega pewnym zmianom, zezwalającym np. również na produkcję win z suszonych winogron.

3 - Polskie Wino - napój o stężeniu alkoholu od 9 % do 18 % obj., otrzymany w wyniku fermentacji alkoholowej z winogron lub moszczu gronowego. Nazwa zastrzeżona dla win gronowych wyprodukowanych w Polsce. - Wina owocowe - wyprodukowane z innych owoców niż winogrona, np.: z jabłek, porzeczek, agrestu, wiśni. Mogą wykazywad moc od 9 18% obj. Zasadnicza różnica pomiędzy winami gronowymi a owocowymi polega na rodzaju surowca, natomiast sposób uzyskania wina jest podobny, chociaż przy winach owocowych bardziej skomplikowany. Moszcz gronowy z dojrzałych winogron zawiera dostateczną ilośd cukru do otrzymania wina o odpowiedniej mocy, zapewniającą mniejszą lub większą trwałośd wina. Moszcz z innych owoców zawiera przeważnie zbyt mało cukru, a zbyt wiele kwasów i dlatego musi byd we właściwy sposób doprawiony, tzn. dosłodzony i ewentualnie rozcieoczony wodą. - Miody pitne - są to napoje o stężeniu alkoholu od 9 % do 18 % obj., otrzymane w wyniku fermentacji alkoholowej wodnego roztworu miodu pszczelego (brzeczki miodowej), z ewentualnym dodatkiem ziół aromatycznych lub przypraw korzennych, - Napoje winopochodne są to napoje zawierające objętościowo od 4,5% do 15,0% alkoholu i zawierają minimum 50% obj. win gronowych, owocowych lub miodu pitnego. - Napoje winopodobne są to napoje o stężeniu alkoholu od 9% do 15% obj., różniące się od win owocowych i miodów pitnych mniejszym udziałem soków lub miodu w nastawie, otrzymane w wyniku fermentacji alkoholowej nastawu na fermentowane napoje winiarskie inne niż Polskie Wino. W zależności od zawartości cukru (cukry redukujące po inwersji g/l wina dzielimy na): Wina gronowe Wytrawne do 10 do 15 Wina owocowe Półwytrawne powyżej powyżej Półsłodkie powyżej powyżej Deserowe słodkie powyżej 60 powyżej Bardzo słodkie powyżej 100 Sposób produkcji wina jest nieco odmienny dla win białych, czerwonych i różowych. Przy produkcji win białych poddaje się fermentacji oddzielony od miazgi moszcz z winogron białych, natomiast przy produkcji win czerwonych fermentuje się nie moszcz, lecz miazgę winogron czarnych, przy czym w czasie fermentacji barwniki i garbniki zawarte w skórce winogron czarnych przechodzą do moszczu, co daje wina zabarwione na czerwono o odpowiedniej cierpkości. Wina różowe produkuje się w sposób pośredni, tzn. fermentuje się miazgę winogron czarnych tylko przez bardzo krótki czas, po czym oddziela się lekko zabarwiony moszcz i poddaje dalszej fermentacji już bez miazgi. Wino może zawierad dodatek barwników spożywczych, karmelu lub cukru palonego. Wymagania normatywne dla win: - ekstrakt bezcukrowy: białe i różowe nie mniej niż 15 g/l czerwone g/l - kwasowośd ogólna wina (wyrażona jako kwas jabłkowy): wina gronowe 3,5-9,0 g/l wina owocowe wytrawne i półwytrawne 4-6 g/l półsłodkie i deserowe 4-7 g/l deserowe słodkie i bardzo słodkie 5-9 g/l Wady wina - są to braki obniżające jego wygląd lub smak, które dają się łatwo usunąd. Zwykle spowodowane są złą jakością surowca lub nieodpowiednim sposobem składowania moszczu. - brak klarowności (w winach trudno klarujących się: śliwkowe, gruszkowe, agrestowe), - opalescencja - lekka biało mleczna, spowodowana jest dużą zawartością substancji pektynowych lub białek i garbników (usuwa się taniną, żelatyną), - czernienie wina - spowodowane nadmiarem żelaza i garbników przy niskiej zawartości kwasów, - brunatnienie - na skutek kontaktu z powietrzem, - zbyt niska moc - poniżej 8%, - nieodpowiednia kwasowośd zbyt wysoka, powyżej 12 g/l, zbyt niska, poniżej 9 g/l, - nadmierna goryczka (nadgniłe owoce) w celu korekcji należy wino dobrze wysiarkowad i skupażowad. Choroby wina są to zmiany wywołane działaniem i rozwojem szkodliwych drobnoustrojów, które powodują znaczne pogorszenie się wyglądu i trwałości oraz obniżenie właściwości zapachowo-smakowych. - tworzenie się kożucha - najczęściej spotykane, spowodowane zakażeniem przez drożdże - Mycoderma vini, Candida, Hansenula, Torulopsis, Pichia, - zaoctowanie - tzw. sztych octowy" - wywołane przez drobnoustroje tlenowe z rodzaju Acetobacter, - fermentacja mlekowa - tzw. sztych mlekowy", objawia się zapachem kiszonej kapusty lub zsiadłego mleka oraz utratą klarowności Lactobacillus, Pediococus i Leuconostoc,

4 - posmak mysi myszka", a przy silnym rozwoju choroby zapach mysich ekstrementów wraz z utratą klarowności zakażenie bakteriami z rodzaju Lactobacillus lub drożdżami z rodzaju Brettanomyces, - śluzowacenie wina - zakażenie bakteryjne z rodzaju Streptococus, Pediococus i Leuconostoc, pleśnie Aureobasidium pullulans, a także drożdże z rodzaju Pichia i Torulopsis, - fermentacja mannitowa zmętnienie, zapach psujących się owoców, octowanie, śluzowacenie tworzy się mannitol, kwas octowy i mlekowy. Chorobę powodują bakterie z rodzajów: Lactobacillus brevis. Destylacja prosta Destylacja jest bardzo użyteczną metodą rozdziału wieloskładnikowych mieszanin ciekłych, a tym samym oczyszczania substancji lotnych. Polega ona na odparowaniu najbardziej lotnego w danych warunkach ciśnienia i temperatury składnika, a następnie na skropleniu par i zebraniu skroplonej cieczy (destylatu). Podczas ogrzewania cieczy prężnośd pary wzrasta aż do momentu, gdy staje się równa ciśnieniu atmosferycznemu i rozpoczyna się wrzenie czyli parowanie w całej objętości cieczy. Temperatura wrzenia cieczy jest to więc temperatura, w której prężnośd par cieczy jest równa ciśnieniu atmosferycznemu. Rozróżnia się cztery typy destylacji: destylację prostą, destylację frakcyjną, destylację z parą wodną i destylację pod zmniejszonym ciśnieniem. W destylacji prostej pary cieczy poddaje się skropleniu przez bezpośrednie oziębianie, co pozwala z reguły tylko na zagęszczenie składników mieszaniny w poszczególnych coraz wyżej wrzących frakcjach. Poniższy rysunek przedstawia typowy zestaw do destylacji prostej. Kolbę destylacyjną zawierającą ciecz (i kamyczek wrzenny) umieszcza się w płaszczu grzejnym lub na łaźni wodnej. Montuje się nasadkę destylacyjną, chłodnicę (w zależności od temperatury wrzenia cieczy wodną lub powietrzną) oraz przedłużacz. Niekiedy te części aparatury stanowią całośd, noszącą wówczas nazwę chłodnicy destylacyjnej. Zintegrowany w ten sposób zestaw znacznie ułatwia montaż aparatury. Chłodnicę wodną podłącza się do wody w taki sposób, aby woda wpływała niższym, a wypływała wyżej położonym tubusem. U wylotu umieszcza się odbieralnik. Może to byd kolba stożkowa, kolba okrągłodenna lub butelka ze szlifem. W zasadzie nie powinno się używad zlewki. Termometr umieszcza się w ten sposób, aby zbiorniczek rtęci znajdował się naprzeciw wlotu par do chłodnicy. Szlify w zestawionej aparaturze należy posmarowad cienką warstwą smaru pamiętając, że nadmiar smaru zanieczyszcza destylowaną ciecz. Istotną sprawą jest dobór odpowiedniego rozmiaru kolby destylacyjnej. Przy rozpoczęciu destylacji kolba nie powinna byd napełniona więcej niż do 2/3 objętości. Dodanie kamyczka wrzennego ma na celu zapewnienie równomiernego wrzenia, ułatwia bowiem powstawanie pęcherzyków pary. Bez kamyczków wrzennych następuje przegrzewanie cieczy i jej rzucanie. Jeśli zapomniano o kamyczku wrzennym, a ciecz jest już gorąca i prawdopodobnie przegrzana, to przed dodaniem kamyczka wrzennego należy ciecz ochłodzid. W przeciwnym razie może nastąpid gwałtowne wrzenie i wyrzucenie cieczy z naczynia. Uwaga: Kamyczki wrzenne są jednorazowego użytku i po każdym przerwaniu wrzenia należy dodad świeży kawałek niepolewanej porcelany. Po rozpoczęciu wrzenia można zauważyd pierścieo skraplającej się pary, podnoszący się w kolbie i nasadce. Termometr zaczyna wskazywad wzrost temperatury aż do chwili, gdy zacznie się destylacja. Ogrzewanie należy wyregulowad tak, aby szybkośd destylacji wynosiła 1-2 krople na sekundę. Przy silnym grzaniu duża ilośd destylatu przechodzi jako niżej wrzący przedgon. Jeśli destylacja jest zbyt wolna można, to z powodu strat ciepła można nie zaobserwowad prawdziwej temperatury wrzenia. Uwaga: Nigdy nie należy destylowad substancji "do sucha"! Wykonanie dwiczenia 1. Analiza fermentacji 1.1. Opisad wygląd makroskopowy beztlenowych hodowli drożdży Oznaczyd masę kolby i poziom cieczy (porównad z masa wyjściową) Oznaczanie mocy - Pomiar metodą piknometryczną Do kolby destylacyjnej odmierzyd cylindrem miarowym 150ml przefermentowanej pożywki. Zmontowad zestaw do destylacji prostej i po uruchomieniu przepływu wody przez chłodnicę, ostrożnie prowadzid destylację zbierając destylat do zlewki. Destylację zakooczyd z chwilą uzyskania ok ml destylatu - pozostałośd w kolbie destylacyjnej zachowad do oznaczenia ekstraktu rzeczywistego!!! Destylat przelad do cylindra miarowego o pojemności 50 cm 3 - zanotowad dokładną ilośd destylatu. Czysty i suchy piknometr zważyd na wadze analitycznej, następnie napełnid go uzyskanym destylatem i ponownie zważyd. Po zważeniu destylat zlad ponownie do zlewki. Następnie wlad do piknometru dokładnie taką samą ilośd wody destylowanej (jak destylatu) i ponownie zważyd.

5 Gęstośd destylatu (d) obliczyd ze wzoru: Gdzie: P 0 masa piknometru pustego [g] P 1 masa piknometru z destylatem o temperaturze 20 0 C [g] P 2 masa piknometru z wodą o temperaturze 20 0 C [g] m poprawka na ważenie w powietrzu, która wynosi 0,0012 Na podstawie gęstości destylatu odczytad zawartośd alkoholu etylowego z tablic (załącznik) - Pomiar metodą areometryczną Otrzymany destylat przelad do cylindra i zmierzyd zawartośd alkoholu za pomocą areometru Trallesa (alkoholomierza). W tym celu 20-30ml destylatu wlad do cylindra szklanego i powoli włożyd areometr. Po 1-2 minutach odczytad stężenie alkoholu Oznaczanie ekstraktu rzeczywistego - Pomiar metodą areometryczną Pozostałośd po destylacji przenieśd do cylindra miarowego o pojemności 250 cm 3 i dopełnid wodą destylowaną do 150 cm 3 i oznaczyd zawartośd ekstraktu rzeczywistego za pomocą areometru Ballinga. Ok ml roztworu przelad do cylindra szklanego i powoli włożyd areometr. Po 1-2 minutach odczytad zawartośd ekstraktu. - Pomiar metoda refraktometryczną Pomiar wykonujemy refraktometrem lunetowym MASTER-TA z automatyczną kompensacją temperatury. W tym celu podnosimy osłonę pryzmatu, pipetą nanosimy ok. 1 ml roztworu tak, aby zamykając osłonę ciecz równomiernie, bez pęcherzyków powietrza pokryła cały pryzmat. Następnie patrząc przez lunetkę odczytujemy wynik w 0Brix.. (skala po lewej stronie w 0 Brix, skala po prawej stronie 0 T.A.) Po wykonaniu pomiaru refraktometr dokładnie płuczemy pod bieżącą wodą i wycieramy delikatnie do sucha papierowym ręcznikiem Opracowanie wyników Wykonad następujące obliczenia: - w oparciu o zawartośd ekstraktu przed i po destylacji obliczyd na podstawie poniższego równania reakcji stężenie etanolu wytworzonego przez drożdże - C 12 H 22 O 11 + H 2 O 4C 2 H 5 OH + CO 2 - w oparciu o moc uzyskanego destylatu (metody piknometryczna, areometryczna) obliczyd stężenie etanolu wytworzonego przez drożdże. - W oparciu o różnicę masy kolb (ilośd wytworzonego CO 2 ) obliczyd stężenie etanolu wytworzonego przez drożdże Uzyskane wyniki wraz z opisanymi wnioskami zamieścid w sprawozdaniu. 2. Zagadnienia teoretyczne: - destylacja prosta, temperatura wrzenia - gorzelnictwo, surowce dla przemysłu fermentacyjnego - etapy produkcji spirytusu i jego charakterystyka - drożdże dzikie - wino i jego rodzaje - wymaganie normatywne dla win - wady i choroby wina 3. Literatura: - Kunicki-Goldfinger W.; Życie bakterii; Wyd. PWN; Warszawa; Libudzisz Z. Kowal K.; Mikrobiologia techniczna; Wyd. Politechniki Łódzkiej; Bednarski W., Reps A.; Biotechnologia żywności; WNT; Warszawa; 2003.

6 Zależnośd pomiędzy gęstością wodnych roztworów etanolu w 20 0 C, a udziałem objętościowym etanolu d, kg/m 3 Udział obj., % d, kg/m 3 Udział obj., % d, kg/m 3 Udział obj., % d, kg/m 3 Udział obj., % 789,3 100, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,24 998,2 0, , , ,62