Характеристика гидролизатов и сульфитных щелоков как питательной среды

Гидролизаты, получаемые в результате гидролиза древесных и сельскохозяйственных отходов, а также сульфитные щелока являются средой, неблагоприятной и недостаточно полноценной

Для жизнедеятельности микроорганизмов. Наиболее ценными веществами гидролизатов и сульфитных щелоков являются моно­сахариды, состоящие из гексоз с общей формулой С6Н120б, и пен — тоз, имеющих формулу С5Н10О5.

В гидролизатах, полученных при гидролизе разбавленными кислотами, содержится в среднем 2,0—3,1% гексоз и 0,6—1,0% пентоз. Сбраживаемыми на спирт сахарами являются гексозы, в состав которых входит глюкоза, манноза, галактоза и иногда фруктоза. Труднее других Сахаров сбраживается галактоза. В со­став несбраживаемых на спирт пентоз входят ксилоза и араби — ноза. В небольшом количестве в гидролизатах встречаются метилпентозы, а также частично гидролизованные полисахариды (декстрины). Наряду с сахарами в гидролизатах содержится ряд веществ, отрицательно влияющих на жизнедеятельность микро­организмов. К ним относятся: а) серная кислота (0,5—0,8%), являющаяся катализатором при гидролизе; б) органические — уксусная, муравьиная, левулиновая, пропионовая, уроновые, смо­ляные и высшие жирные кислоты (0,3—0,4%). Благодаря нали­чию этих кислот активная кислотность гидролизата колеблется в пределах рН=1,0—2,5; в) продукты разложения Сахаров и по­бочные продукты гидролиза: фурфурол (0,03—0,06%); оксиме — тилфурфурол (0,12—0,16%), метиловый спирт (0,02—0,03%); формальдегид, ацетон, терпены (0,05—0,06%); г) коллоидные вещества — лигниновые и гуминовые; находясь в гидролизатах в виде тонкодисперсных коллоидных веществ, они могут адсорби­роваться на поверхности дрожжевой клетки, уменьшая ее актив­ную поверхность и тормозя процесс ее обмена. В состав гидро­лизатов входят также минеральные вещества. Все эти вещества находятся в водном растворе.

Гидролизаты, полученные в результате гидролиза лиственной древесины и сельскохозяйственных отходов, имеют несколько иной состав. В них содержится больше пентоз (4—6%), фурфу­рола (0,1—0,2%), уроновых кислот и меньше гексоз, а также нет терпенов. Сельскохозяйственные гидролизаты содержат больше минеральных и азотистых веществ.

Температура гидролизатов после испарителей колеблется в пределах 90—98°.

В отличие от растительных гидролизатов сульфитный щелок имеет более сложный состав. В нем содержится меньше, чем в гидролизате, моносахаридов (1,8—3,1 %’, в зависимости от жест­кости сульфитной варки). Из них гексозы составляют 1,1—2,2%. а пентозы 0,7—0,9%. В сульфитном щелоке содержится ряд кислот, некоторые из них являются летучими: уксусная (0,25—0,40%), муравьиная (0,04—0,08%), свободная сернистая (0,06—0,20%)- К летучим соединениям относятся также метило­вый спирт (0,02—0,06%), фурфурол (0,03—0,06%), формальдегид (0,02—0,05%); общее количество летучих веществ, в сульфитном щелоке составляет 0,4—0,9%.

В состав сульфитного щелока входят также и нелетучие веще­ства. К ним относятся лигносульфоновые кислоты (3,5—5,5%), продукты разложения и окисления Сахаров: метилглиОксаль (0,05—0,07%), глицериновый альдегид, альдоновые кислоты и другие. Кроме перечисленных соединений, в сульфитном щело­ке имеются минеральные соли сернистой, серной и других кислот, например бисульфит кальция в количестве 0,3—0,8%, моносуль­фит— 0,02—0,07%- Часть Сахаров щелока вступает в связь с сернистой кислотой, или бисульфитом, образуя альдегидбисуль — фитные соединения, не — сбраживаемые дрожжами. Тормозящее действие бисульфитных соединений на процесс брожения объяс­няется тем, что уксусный альдегид, образующийся в процессе спиртового брожения как промежуточный продукт, не превра­щается в дальнейшем в этиловый спирт, а дает с бисульфитом очень стойкое соединение, которое дрожжи не могут превратить в спирт. Если концентрация альдегидбисульфитных соединений в щелоке достигает 0,8%, то брожение практически прекращает­ся. Кроме того, бисульфит и сернистая кислота угнетающе дей­ствуют на дрожжи, снижая их спиртообразующую способ­ность.

Таким образом, вредные примеси гидролизатов и сульфитных щелоков так или иначе нарушают нормальные физиологические функции дрожжей и тем самым замедляют брожение. Кислот­ность щелоков жестких и мягких варок неодинакова; в первом случае рН достигает 1,9-н2,5; во втором рН = 2,5ч-3,5. Темпера­тура щелока, отобранного из котла, равна 80—95°.

На основании сказанного можно сделать вывод, что гидроли — заты и сульфитные щелока являются средами, мало пригодными для жизнедеятельности микроорганизмов по следующим причи­нам: 1) в этих средах в значительном количестве присутствуют различные вещества, угнетающие дрожжи (лигниновые и гуми — новые коллоиды, формальдегид, муравьиная кислота, фурфурол и его гомологи, продукты расщепления смолистых веществ, сер­нистый ангидрид и др.); 2) отсутствуют витамины и витамино — подобные вещества; 3) отсутствуют легкоусваиваемые соедине­ния азота и недостаточно фосфорных соединений.

Для того чтобы эти среды были более благоприятными и полноценными, чтобы дрожжи наиболее эффективно сбражи­вали древесный сахар на спирт, необходимо создать им опти­мальные условия развития:

• 1. Удалить вредные для дрожжей примеси. Серную кислоту и большую часть органических кислот нейтрализуют и этим уни­чтожают их токсическое действие на дрожжи. Для осуществле­ния нормального процесса брожения рН среды должен быть оптимальным и равным для древесных гидролизатов 4,2—4,5; для сульфитных щелоков — мягких 4,8—5,2 и жестких 4,9—5,5; Для сбраживания гидролизатов, полученных из сельскохозяйст­венных отходов, рН сусла должен быть более низким (3,8—4,0), чем для древесных сусел, так как они легко заражаются посто­ронними микроорганизмами. Кислотность питательной среды в значительной степени влияет на деятельность ферментов дрож­жей и на состояние их клеток, состоящих в основном из коллоид­ных веществ.

Летучие ядовитые вещества (фурфурол, терпены, сернистый ангидрид и др.) в основном удаляются со сдувочными парами, или с парами самоиспарения гидролизата, при продувке сульфит­ного щелока паром или воздухом. Часть фурфурола восстанавли­вается дрожжами в фурфуриловый спирт. Альдегидбисульфит — ные соединения разрушаются при удалении сернистой кислоты нейтрализацией или продувкой щелока воздухом.

В гидролизных средах остаются незначительные количества указанных выше летучих веществ, которые практически не влия­ют на спиртообразование. Так, не влияет на процесс образования спирта фурфурол при концентрации 0,05%’, уксусная кислота — 0,2%; S02 — 0,005% и бисульфит —0,03%.

Часть коллоиднорастворенных веществ гидролизатов коагули­рует при нейтрализации и во время охлаждения нейтрализата; часть их адсорбируется активированным углем или коагулирует при действии различных химических реагентов, а также вместе с загрязнениями и взвешенными частицами отделяется при отстое и фильтрации. Соли тяжелых металлов в определенных концен­трациях также тормозят брожение. Например, при концентра­циях солей меди выше 0,004% брожение прекращается. Таким образом, несмотря на то, что в ходе технологического процесса большую часть вредных примесей гидролизных сред обезврежи­вают, некоторое количество их остается в сусле, Дрожжи посте­пенно привыкают к этим неблагоприятным питательным средам, изменяют свои свойства, вырабатывают новые ферменты и каче­ства.

2. Для развития спиртообразующих дрожжей и для построе­ния их ферментных систем в древесных и сульфитных суслах необходимо присутствие активаторов роста оргайической природы (витамины, витаминоподобные вещества), которые дрожжи са­мостоятельно синтезировать не могут. Источниками их являются экстракты солодовых ростков, дрожжевой автолизат, дрожжевая вода, причем, по данным М. Я. Калюжного, обработка ослабев­ших дрожжей дрожжевой водой способствует увеличению выходов спирта.

3. Поскольку в гидролизном и сульфитном сусле содержится недостаточное количество минеральных соединений азота и фос­фора, его следует обогащать питательными солями — сульфатом аммония и суперфосфатом. Без добавления этих солей скорость сбраживания сахара снижается в 2—3 раза и увеличивается количество мертвых дрожжевых клеток.

Для стимулирования жизнедеятельности ослабленных дрож­жей пользуются также методом фосфатной активации, т. е.’обра — батывают дрожжи суперфосфатной вытяжкой более высокой концентрации.

4. Брожение и размножение дрожжей зависит и от темпера­туры среды. Оптимальная температура для этих процессов 30—33°. Более низкая температура замедляет скорость брожения и создает условия для развития посторонней инфекции. При за­мораживании дрожжи не погибают, только временно приостанав­ливаются их жизненные процессы, которые возобновляются вновь, если замерзшие дрожжи медленно оттаивать при 5—7°. При температуре сусл’а, равной 35—36°, скорость брожения по­вышается, но тормозится размножение, наступает угнетение

Дрожжей и постепенное их отмирание. При более высоких тем­пературах (45—55°) наступает автолиз дрожжей. Следовательно, гидролизаты и сульфитные щелока необходимо охлаждать.

5. Для лучшего размножения, а также активации ослаблен­ных дрожжей необходима аэрация питательной среды, так как построение веществ протоплазмы новых молодых клеток связано с затратой энергии, получаемой дрожжами в процессе дыхания. Поэтому небольшое количество воздуха подают, обычно в начале брожения. Процесс же спиртового брожения происходит в ана­эробных условиях, и необходимую для жизнедеятельности энер­гию дрожжи получают в процессе брожения.

Таким образом, в результате соответствующей подготовки гидролизаты и сульфитные щелоки становятся благоприятной питательной средой для жизнедеятельности дрожжей, которые с полной эффективностью используют сахара этих сред и пре­вращают их в ценные продукты.

Спиртообразующие дрожжи, применяемые в гидролизной промышленности, относятся к родам Saccharomyces, и Schizosac­charomyces и в основном к видам Saccharomyces cerevisiae, S. vini var. cartilaginosus, S. paradoxus, S. uvarum, Schizosaccharomyces Pombe и др. (рис. 137). На большинстве гидролизных заводов в настоящее время используют ветвистые дрожжи. На некоторых заводах преобладают пылевидные дрожжи (Бобруйский завод), а на нескольких — шизосахаромицеты.

В табл. 53 кратко дана биохимическая и физиологическая характеристика некоторых производственных дрожжей спирто­вого брожения, применяемых на гидролизных заводах (по дан­ным Т. Н. Семушиной).

Таблица 53

Данные, приведенные в таблице, получены при сбраживании синтетических сред заводскими культурами дрожжей. Выход спирта на производственных средах несколько ниже и колеблется в пределах 53—55,5 л со 100 кг сброженного сахара.

Наиболее активными расами гидролизных дрожжей, произво­дящими энергичное брожение, в настоящее время являются сле­дующие культуры сахароминцетов: ленинградская Л-С-1, тав — динская Т-С-1, ферганская Ф-C-I и хакасская Хак-C-I. Наиболее полно и активно сбраживают галактозу штаммы: ЛОБ-С-1; Т-С-2, Т-С-3, ХАК-С-1. В последние годы наиболее широко распростра — • нены шизосахаромицеты.

На некоторых гидролизных заводах (Канском, Косьвинском, Хорском и др.) были обнаружены и выделены шизосахаромице­ты, полнее сбраживающие сахара и дающие на 7—9% больше спирта, ;чем сахаромицеты. Температура брожения их 35—36°, но они име|ют и недостатки: нестойки при хранении и медленно раз­множаются; при специальных режимах шизосахаромицеты мож­но сохранять. Среди различных видов шизосахаромицетов наи-

Более устойчивыми являются дрожжи Schizosaccharomyces Pom — be штамм К-К (канская-копулирующая). Наибольший выход спирта дают шизосахаромицеты Косьвинского и Архангельского заводов (КОС-С-1 и А-С-1). Описанные расы выделены как наи­более эффективные и высокопродуктивные из микрофлоры гидро­лизных заводов. Культуры дрожжей, приспособленные к усло­виям данного производства, применяемые длительное время и дающие в этих условиях хороший выход необходимых продук­тов, называются местными расами дрожжей.

На большинстве сульфитно-спиртовых заводов применяются культуры сорбирующихся дрожжей, т. е. прикрепленных к волок­нам целлюлозы.

К сорбирующимся дрожжам (рис. 138) относятся представи­тели различных родов и видов семейства сахаромицетов. В основ­ном они представлены родами: Saccharomyces, Fabospora и Zy­gofabospora. Краткая биохимическая и физиологическая харак­теристика некоторых сорбирующихся дрожжей приведена в табл. 54 (По данным М. Я. Калюжного).

Наиболее активными спиртообразующими дрожжами явля­ются следующие местные культуры: П-4, Св-1, Б-7, Н-2, Св-20,

35 а. к. Славянский

Светогор — ский

Клайпедский

Балахнин — ский

Сухонский

Неманский

То же

Saccharomyces paradoxus

Saccharomyces vinl var. car — tllaginosus

To же

Fabospora fra — gllis

Zygofabospora marxlana

To же

Пылевид­ная

Зернис­тая

To же

Пылевид­ная

То же

То же

Глюкоза, манно­За, сахароза, галактоза

Галактоза, глю­коза, сахароза, мальтоза

То же

Глюкоза, манно­За, сахароза, га­лактоза, лактоза

То же

Но последняя слабо сорбируется. Выход спирта в заводских усло­виях меньше, чем приведенный в таблице. Сорбирующиеся дрож­жи К-2, Б-7, СХ-7, Н-2, Св-20 и др. наряду с другими сахарами хорошо сбраживают галактозу. Это так называемые галактозные дрожжи, содержащие фермент галактозимазу.

При помощи так называемой проточной камеры, изобретен­ной М. Я — Калюжным, было показано, что дрожжи, сорбирован­ные на волокнах, размножаются в 2 раза быстрее, чем находя­щиеся в жидкости. Таким образом, на границе твердая фаза — жидкость процессы размножения дрожжей протекают более активно, чем в жидкой фазе.

На выход спирта или скорость его образования, а также на физиологическое состояние дрожжей большое влияние оказывает концентрация дрожжей в бражке. Она должна соответствовать количеству питательных веществ в бражке, которые обеспечили бы и прирост молодых клеток и стойкость зрелых. Лучшая кон­центрация — 15—20 г дрожжей в 1 л, это количество дрожжей быстро сбраживает сахар, обычно в течение 6—7 часов, и выход
^спирта достигает 54 л со 100 кг сбраживаемых Сахаров. Такая концентрация обеспечивает и необходимый прирост дрожжей, так как при высокой концентрации дрожжи медленно размно­жаются, постепенно отмирают, и брожение замедляется* а при малой — дрожжи так активно размножаются, что часть сахара используется на этот процесс, и, следовательно, выход спирта понижается.

Концентрация и природа сахара также влияют на скорость брожения. На основании многих исследований можно сделать вывод, что при концентрации сбраживаемого сахара, равной 1,5—4%, древесное и сульфитное сусло сбраживается с макси­мальной скоростью. Если концентрация сахара упадет ниже 1%, скорость брожения быстро замедляется. Повышение концентра­ции сахара выше 15% отрицательно влияет на дрожжи, нарушая их обмен веществ, а высокая концентрация спирта парализует деятельность ферментов. Скорость брожения зависит также ог природы Сахаров. Наиболее быстро сбраживаются глюкоза и фруктоза, медленнее манноза и совсем медленно галактоза.

Для эффективной жизнедеятельности дрожжам необходимы питательные вещества. Вопросы питания микроорганизмов, в частности дрожжей, были рассмотрены в главе 30. Отметим только некоторые особенности питания гидролизных дрожжей. Углеродным питанием их являются шестиатомные сахара, вхо­дящие в состав гидролизатов и сульфитных щелоков: глюкоза, манноза, фруктоза и галактоза. Хуже усваиваются органические кислоты, например уксусная. В качестве азотистого питания дрожжи используют аммиачные соли (сульфатаммония); а ос­лабленные дрожжи — дрожжевой автолизат и дрожжевую воду, содержащие витамины и продукты распада белков дрожжевой клетки (аминокислоты и др.). Для дрожжей необходимо и мине­ральное питание, значение которого уже отмечалось. Фосфор вводят в среду в виде суперфосфата. Калий, натрий, кальций, магний, сера, хлор, бром и другие элементы переходят в раствор в виде солей из производственной воды и растительной ткани при ее гидролизе. Некоторые элементы: железо, медь, марганец, мо­либден, цинк, кобальт, хром, никель, теллур, необходимые для жизненных процессов дрожжей в небольших количествах, попа­дают в сусло в результате коррозии металлической аппаратуры.