Глава 4. Характеристика сырья, основных и вспомогательных материалов

§ 1. Основное сырье - свекловичная меласса

Состав мелассы. Свекловичная меласса представляет собой межкристальный маточный раствор, получающийся в свеклосахарном производстве при отделении кристаллов сахарозы на центрифугах.

По химическому составу меласса является концентрированным раствором сахарозы и несахаров, из которого невозможно дальнейшее выделение сахара по обычной технологии свеклосахарного производства.

Меласса, получаемая на сахарных заводах нашей страны, имеет в среднем следующий состав (в % к массе):

Меласса является ценным продуктом и полностью используется в народном хозяйстве. Так, для производства хлебопекарных дрожжей расходуется мелассы 13%, для производства спирта, растворителей и пищевых кислот - 62%, для целей животноводства - 22%, прочие цели 3%.

Сахар в мелассе представлен в основном сахарозой (С₁₂Н₂₂О₁₁), которой в мелассе содержится 43-50%. Сахароза определяется по прямой поляризации при помощи сахариметра.

Кроме сахарозы в мелассе имеется инвертный сахар, который переходит в мелассу из свеклы, а также образуется в процессе производства в результате гидролиза сахарозы. Инвертный сахар - это смесь глюкозы (C₆H₁₂О₆) и фруктозы (C₆H₁₂О₆). Содержание его в мелассе нормального состава колеблется от 0,2 до 1,0% к массе мелассы. Увеличение количества инвертного сахара до 2-3% указывает на то, что меласса получена из лежалой, оттаявшей свеклы или в результате отклонений от правильного ведения технологического режима получения сахара.

В некоторых образцах мелассы присутствует раффиноза (С₁₈Н₃₂О₁₆), которая состоит из галактозы, фруктозы и глюкозы.

В дрожжевом производстве учет мелассы ведут по содержанию сахара, определяемого по сумме сбраживаемых сахаров. Содержание сахаров в мелассе определяют поляриметрическим и химическим методами. Общее содержание суммы сбраживаемых сахаров определяют по прямой и инверсионной поляризации. Кроме того, инвертный сахар определяют химическим методом по Офнеру.

В процессе выращивания хлебопекарных дрожжей большую роль играют несахара мелассы, которые состоят из неорганических и органических веществ. К неорганической части относятся углекислые, сернокислые, хлористые и азотнокислые соли калия, натрия, кальция, магния, железа и аммония. Количество неорганических веществ определяют по составу золы, которая колеблется в зависимости от климатических и почвенных условий выращивания свеклы, а также времени ее переработки.

Меласса полноценного состава содержит 8-10% золы. В этом случае на каждые 100 г углеводов приходится не менее 15 г золы.

Органическая часть несахаров мелассы состоит из безазотистых и азотсодержащих соединений.

К безазотистым соединениям относятся карамели (продукты конденсации углеводов, образовавшиеся в процессе получения сахара под действием высоких температур), органические кислоты (щавелевая, янтарная, глутаровая, молочная).

Азотсодержащие несахара мелассы состоят в основном из бетаина и аминокислот, переходящих из свеклы, а также из белка и продуктов его распада в процессе очистки сахарных соков.

Меласса с недостаточным количеством азотсодержащих веществ является неполноценным сырьем для производства дрожжей. В мелассах, вырабатываемых на сахарных заводах нашей страны, содержание общего азота колеблется от 0,6 до 2,0%.

Одним из критериев для оценки пригодности мелассы для дрожжевого производства является содержание азота аминокислот (аминного).

На содержание азотсодержащих веществ в свекле влияют количество и вид удобрения и метеорологические условия в период вегетации свеклы; чем выше температура воздуха и меньше количество осадков, тем больше азотсодержащих веществ накапливается в свекле и соответственно в мелассе.

На дрожжевые заводы поступает меласса неодинакового состава, в различные сроки и из разных районов страны, поэтому для дрожжевого производства важно определять содержание в ней аминного азота.

При содержании аминного азота в мелассе 0,4% дрожжи накапливаются быстрее и обладают лучшим качеством, чем на мелассе с низким содержанием аминного азота.

Степень пригодности мелассы для дрожжевого производства оценивается также и по наличию в мелассе микроорганизмов, которые нарушают нормальный режим технологического процесса.

Микроорганизмы могут попадать в мелассу из свеклы в процессе получения сахара и при хранении мелассы.

В мелассе полноценного состава содержится высокое количество сахара (48-50%), в такой мелассе микроорганизмы не размножаются. При разбавлении мелассы водой создаются благоприятные условия для развития микроорганизмов.

Меласса, содержащая большое количество бактерий, является дефектной и характеризуется преобладанием одного вида бактерий.

Степень обсемененности мелассы микроорганизмами определяют по двум показателям: общему количеству микроорганизмов в 1 г мелассы и качественному составу микрофлоры.

При микробиологическом исследовании мелассы обнаружены следующие группы микроорганизмов: бактерии (нитритообразующие, кислотообразующие, агглютинирующие, протеолитические), дикие грибы и плесени.

В группе спорообразующих бактерий часто встречаются нитритообразующие бактерии, которые восстанавливают нитраты в нитриты, отрицательно влияющие на размножение дрожжей. В зависимости от количества этих бактерий в мелассе и активности их нитриты образуются с различной скоростью на разных стадиях технологического процесса (в приточных и дрожжерастильных аппаратах). Для выявления наличия в мелассе нитритообразующих бактерий и оценки степени активности их применяют биологическую пробу. Качественную пробу на наличие нитритов производят через 12, 18, 24 ч с реактивом Грисса.

По скорости образования нитритов в пробе мелассы и соответственно скорости размножения нитритообразующих бактерий оценивают степень пригодности ее для дрожжевого производства. Если нитриты образуются через 16-18 ч, то это указывает на высокую активность спороносных нитритообразующих бактерий. При переработке такой мелассы нитриты могут появиться в приточных и дрожжерастильных аппаратах.

К кислотообразующим бактериям относятся агглютинирующие бактерии (лейконосток), которые подкисляют среду и склеивают дрожжевые клетки в хлопья в дрожжерастильных аппаратах.

С целью задержки роста лейконостоков необходимо хлорировать кислую мелассу и хранить при температуре не выше 12 °С.

Иногда в мелассе находят дрожжевые грибы торулопсис, кандида и плесневые грибы аспергилиус, пенициллиум и мукор.

За последние пять лет количество инфицированных меласс составило около 20% от числа проанализированных проб. Обычно 60% образцов мелассы обсеменены спороносными бактериями, 20%-кислотообразующими, в остальных 20% проб обнаруживаются дрожжи, микрококки и плесени. Из них наибольший вред наносят спороносные, кислотообразующие бактерии и дрожжи.

Посторонние, или дикие, дрожжи проникают в дрожжерастильный аппарат из воздуха, трубопроводов или с приточной мелассой и размножаются при той же температуре, что и сахаромицеты. Посторонняя дрожжевая микрофлора наносит огромный ущерб качеству дрожжей, ухудшает их ферментативную активность.

Плесневые грибы в дрожжевом производстве встречаются в сырье и воздухе, поступающем в производство, и являются вредителями. Вредное влияние плесневых грибов определяется способностью их развиваться в условиях производства дрожжей и вызывать порчу сырья и готовой продукции.

В мелассный раствор и культуральную жидкость могут попадать микроорганизмы из воды и воздуха.

Известно несколько способов подавления микроорганизмов. Так, совместное воздействие пастеризации и антимикробных препаратов приводит к значительному снижению обсемененности мелассного раствора, кукурузного экстракта, что ведет к повышению выхода дрожжей и улучшению их качества. В качестве антимикробных веществ для обеззараживания мелассы используются формальдегид, фурацилин, фуразолидон, молочная кислота, биомицин.

На дрожжевые заводы поступает меласса разного состава. При оценке степени пригодности мелассы для дрожжевого производства принято изучать состав как сахаров, так и несахаров мелассы, изменяющихся в широких пределах в зависимости от целого ряда факторов (климатических и почвенных условий, условий хранения свеклы и технологии сахароварения).

По составу сахаров меласса часто соответствует требованиям дрожжевого производства. Однако не всегда удается получить ожидаемый прирост дрожжей. В этом случае ощущается недостаток несахаров в мелассе, которые необходимы для роста дрожжей.

Состав мелассы изменяется в течение периода сахароварения. Меласса, полученная в начале сезона сахароварения (сентябрь, октябрь, ноябрь), удовлетворяет требованиям дрожжевого производства по содержанию сухих веществ, сахара по прямой поляризации и сумме сбраживаемых сахаров, доброкачественности, общего азота, аминного азота, общей золы, калия, кальция, магния, летучих кислот, сернистого ангидрида и микробиологическому составу.

Пробы мелассы, полученные в конце сезона сахароварения (январь, февраль), имеют недостаточное количество общего азота (0,7-0,85%), аминного азота (0,17-0,15%), золы 3,3-5,1% (за вычетом кальция), калия (0,63-1,30%), повышенное содержание кальция (2,12-3,48%); обсеменены большим количеством микроорганизмов - 15 тыс. в 1 г при норме не более 10 тыс.

Такое изменение качества мелассы происходит в результате изменения технологического режима получения сахара, особенно при переработке замороженной и оттаявшей свеклы. При оттаивании ее освобождается инвертаза, которая разлагает сахарозу и приводит к накоплению инвертного сахара. Инвертный сахар, соединяясь с кальцием, образует соли, повышающие вязкость сока.

Для извлечения сахара из свеклы и улучшения работы всех отделений завода при переработке свеклы низкого качества увеличивают расход формалина и соды. Все указанное отрицательно влияет на качество мелассы.

Для производства хлебопекарных дрожжей меласса должна иметь следующий состав:

В настоящее время на свекловичную мелассу утвержден ОСТ 18-395-82, в который включены четыре показателя. Содержание сухих веществ (по ОСТу) не менее 75%, содержание сахара по прямой поляризации не менее 43%, по сумме сбраживаемых сахаров - не менее 44%. Более низкое содержание сухих веществ и сахара показывает, что меласса разбавлена и при хранении в ней могут развиваться микроорганизмы и протекать различные биохимические процессы.

Активная кислотность (рН) мелассы должна быть в пределах 6,5-8,5; рН ниже 6,5 показывает начало закисания мелассы вследствие развития большого количества микроорганизмов или возникновения сахароаминной реакции. Высокий рН (8,0-8,5) указывает, что в процессе сахароварения было добавлено большое количество извести. Обычно такая меласса содержит повышенное количество кальциевых солей, которые отрицательно влияют на рост дрожжей.

Влияние состава мелассы на выход и качество дрожжей. При выращивании дрожжей на мелассе важно знать количество в ней азота, усваиваемого растущими клетками, количество ростовых и зольных веществ.

Влияние состава азотсодержащих веществ мелассы на накопление биомассы. Меласса, содержащая недостаточное количество азотистых веществ, является неполноценным сырьем для производства дрожжей.

В мелассах, получаемых на сахарных заводах нашей страны, содержание общего азота колеблется от 0,6 до 2,0%. В состав его входит усвояемый или аминный азот, который положительно влияет на рост дрожжевых клеток. Известно, что выход дрожжей увеличивается с повышением содержания аминного азота.

Содержание аминокислот в мелассе к концу сезона сахароварения уменьшается на 25-70%. При этом значительно понижается содержание таких важных аминокислот для роста дрожжей, как аспарагиновая, глютаминовая и аланин. Количественное содержание перечисленных аминокислот уменьшается в мелассе на 50-75%.

Изменение состава аминокислот в мелассе отражается на скорости накопления биомассы. При размножении на среде, содержащей смесь аминокислот, рост дрожжей достигает максимума, так как аминокислоты потребляются без дополнительного дезаминирования, чтобы получить аммиак, необходимый для синтеза недостающих. В связи с этим в среде при отсутствии некоторых аминокислот размножение дрожжевых клеток замедляется.

При содержании аминного азота в мелассе 0,3-0,4% дрожжи растут быстрее и обладают лучшим качеством, чем дрожжи на питательных средах с низким содержанием азота аминокислот.

Влияние ростовых веществ (биотина) на накопление биомассы. Для достижения высокого выхода дрожжей при переработке мелассы разного состава необходимы стимуляторы роста дрожжей.

Основными стимуляторами роста сахаромицетов являются биотип, пантотеновая кислота и инозит. В полноценной для дрожжей питательной среде должно содержаться (в мкг) в расчете на 100 г свекловичной мелассы: биотина 29, пантотеновой кислоты 5000, инозита 120 000.

Все указанные ростовые вещества содержатся в свекловичной мелассе, причем количество пантотеновой кислоты иногда соответствует, а инозита несколько превышает количество, необходимое для быстрого накопления биомассы с высоким выходом на единицу сырья. Содержание биотина даже в мелассах хорошего качества, как правило, не достигает нормы (25-29 мкг на 100 г).

Содержание биотина в мелассе, поступающей на дрожжевые заводы, колеблется в пределах от 4 до 10 мкг, и в среднем его количество равно 8 мкг на 100 г.

Сахаромицеты, культивируемые на дрожжевых заводах, чувствительны к биотину, и его пониженное содержание приводит к уменьшению выхода дрожжей.

Многие ферменты в качестве кофермента содержат биотин, который играет важную роль в обмене веществ дрожжей, катализирует реакции карбоксилирования и декарбоксилирования. Кроме того, биотин принимает участие в образовании нуклеиновых кислот в синтезе аминокислот и белковой молекулы, в ассимиляции азота в обмене жирных кислот.

Биотин - необходимый фактор роста. Когда содержание биотина ограничено, недостаток его отражается на всех клеточных функциях. Причем не только ухудшается рост, но и нарушается метаболизм углеводов, белков и нуклеиновых кислот и углеводы используются по типу брожения даже при сильной аэрации.

В качестве источников биотина в настоящее время применяются кукурузный экстракт и дестиобиотин. Кукурузный экстракт содержит 48-50% сухих веществ, 1970-2280 мкг на 1 кг биотина, 3,5-3,8% общего азота, 1,5-1,6% аминного азота, 1,2-1,8% калия (К₂О).

Известно, что прирост дрожжей на мелассных средах нормального состава характеризуется скоростью роста 0,15-0,16 ч^-1, часовой прирост дрожжей при этом равен 1,16-1,17, в процентном выражении прирост составит 16-17% в час.

Скорость роста дрожжей в основном зависит от содержания в мелассе ростовых веществ, особенно биотина, и определяется методом технологической микропробы путем выращивания дрожжей в течение 6 ч.

В этот период дрожжи растут и размножаются со скоростью, обусловленной составом питательной среды.

После шестичасового выращивания определяют количество полученных дрожжей и находят скорость роста дрожжей μ по формуле (1)(см. главу 2, § 3).

Ниже приведены данные степени пригодности мелассы для дрожжевого производства по скорости роста дрожжей.

Скорость роста дрожжей 0,150-0,170 0,130-0,140 0,105-0,120

Качество мелассы нормальное среднее низкое

Кукурузный экстракт, добавленный из расчета 6% к массе мелассы, ускоряет рост до 0,15-0,19 ч^-1.

В связи с тем что кукурузный экстракт вырабатывается в недостаточном количестве, исследован и внедрен в производство в качестве стимулятора роста дрожжей дестиобиотин.

Дестиобиотин является предшественником биотина и стимулирует развитие дрожжей так же активно, как и биотин.

Использование дестиобиотина при выращивании дрожжей на мелассных средах дает положительный эффект при добавлении его в количестве 400 мкг на 1 кг мелассы, или 400 мг на 1 т.

Добавление дестиобиотина к мелассам неполноценного состава разных сезонов сахароварения значительно увеличивает удельную скорость роста дрожжей от 0,160 до 0,212 ч^-1. В среднем увеличение удельной скорости роста дрожжей составляет 0,183 ч^-1 вместо 0,090-0,138 ч^-1 при выращивании без этого препарата.

Применение дестиобиотина не только увеличивает удельную скорость роста дрожжей, но и значительно улучшает качество готовой продукции.

Влияние зольных веществ (калия) на накопление биомассы и качество дрожжей. Нормализация состава мелассы путем добавления различных источников биотина вызывает ускорение роста дрожжей, однако при переработке некоторых партий мелассы наблюдается понижение стойкости дрожжей. Это происходит от недостаточного содержания калия в мелассе.

Недостаток калия присущ малозольной мелассе, содержащей золы (за вычетом кальция) от 3,29 до 6,02%. Количество калия при этом колеблется от 0,86 до 2,16% и в среднем составляет 1,46%. Кроме того, в такой мелассе содержание золы по отношению к содержанию сахара в среднем снижено до 10,8%.

Полноценная меласса должна содержать не менее 3,5% К₂О и на каждые 100 г сахара в мелассе должно приходиться не менее 15 г золы.

В мелассе с содержанием золы (за вычетом кальция) более 7,0% количество калия колеблется от 3,09 до 3,98% и в среднем составляет 3,44%, и содержание золы к содержанию сахара колеблется в пределах от 15,5 до 20,1% и в среднем составляет 16,8%.

При недостатке калия нарушается питание - в дрожжевую клетку в процессе роста не поступают зольные элементы. А между тем в состав золы дрожжевой клетки входит 23-40% калия.

Калий находится в мелассе не только в свободном, но и в связанном состоянии, поэтому он не весь участвует в обменных реакциях при выращивании дрожжей.

Присутствие ионов калия в мелассной среде требуется для проявления активности многих ферментов, принимающих большое участие в процессе роста и размножения дрожжей.

Из практики работы дрожжевых заводов известно, что на питательных средах с низким содержанием калия рост дрожжевых клеток отклоняется от нормы: замедляются новообразования клеток, появляются дрожжевые клетки с двумя - тремя почками.

Сохранение качества мелассы при ее приемке и хранении. Для дрожжевого производства большое значение имеет также сохранение качества мелассы при ее приемке и хранении. Основной причиной изменения состава мелассы при этом может быть сахароаминная реакция. Сущность сахароаминной реакции заключается в соединении инвертного сахара мелассы с аминогруппами аминокислот и белков.

Указанная реакция может протекать и в условиях сахарного производства во время выпаривания и уваривания сока и сиропа, полученных из подпорченной свеклы (цветность и содержание инвертного сахара при этом увеличиваются).

При протекании сахароаминной реакции сначала происходит разложение аминокислоты и сахаров. Из аминокислот образуются соответствующие альдегиды, аммиак и углекислый газ, а из сахарозы сначала инвертный сахар, а затем фурфурол или оксиметилфурфурол. В конечной стадии сахароаминной реакции образовавшиеся фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами и продуктами их распада, давая темноокрашенные соединения, называемые меланоидинами.

Внешние условия также имеют исключительно большое значение для возникновения и развития сахароаминной реакции. Следует отметить, что повышение температуры до 50-60 °С резко увеличивает скорость течения сахароаминной реакции. Такое повышение температуры может возникнуть при подогреве мелассы паром во время перекачки ее в зимнее время.

Характерным показателем протекания сахароаминной реакции является повышение кислотности среды, уменьшение содержания сахара по прямой поляризации (сахарозы) и увеличение инвертного сахара, увеличение цветности мелассы.

Практически при протекании сахароаминной реакции во время хранения мелассы на дрожжевых заводах наблюдается подкисление ее до рН 5,0-6,1, увеличение количества инвертного сахара до 6,0-13,0%, уменьшение содержания сахарозы до 35,0-40,0% при увеличении цветности до 4,5 мл 0,1 н. раствора йода и более. Следует отметить, что все указанные изменения в составе мелассы протекают при небольшом содержании микроорганизмов (600-3000 в 1 г).

Результатами протекания сахароаминной реакции являются полная потеря сахара, разжижение мелассы и превращение ее в темную взрывоопасную жидкость. Для предупреждения сахароаминной реакции необходимо проводить следующие мероприятия:

отбирать мелассу, полученную из здоровой свежей свеклы, в первом периоде сахароварения (октябрь - ноябрь);

срочно перерабатывать мелассу, содержащую более 2,0% инвертного сахара, менее 75% сухих веществ и имеющую рН ниже 6,2;

для предотвращения порчи хранить мелассу при низкой температуре.

не допускать слива в хранилище мелассы, нагретой до температуры выше 40°С;

необходимо принимать меры по ее охлаждению;

не допускать произвольного нагрева мелассы в мелассохранилищах из-за неисправности запорной паровой арматуры;

регулярно регистрировать температуру хранящейся мелассы.