WYTWARZANIE I ANALIZA PRODUKTÓW MLECZNYCH

Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
PRODUKCJA BIOMASY CZ. 4
Przemysł fermentacyjny dostarcza na rynek duże ilości wyrobów takich jak: wino, piwo i spirytus. Przy wyrobie tych napojów
wykorzystuje się funkcje życiowe komórek drożdży, przekształcających cukry w etanol.
Roztwory sacharozy mogą być bezpośrednio poddane fermentacji z udziałem drożdży, natomiast wielocukry (np. skrobia) nie
ulegają fermentacji i muszą być uprzednio poddane hydrolizie do tzw. cukrów fermentujących, głównie cukrów prostych i
dwucukrów – metabolizowanych przez drożdże. Stężenia alkoholu uzyskiwane w odfermentowanych środowiskach nie są
zbyt wysokie (przeważnie do 18% obj.).
Gorzelnictwo jest to gałąź przemysłu fermentacyjnego obejmująca produkcję spirytusu surowego na drodze fermentacji
alkoholowej cukrów, a następnie wydzielenie tego spirytusu z odfermentowanego zacieru w procesie destylacji.
Do produkcji spirytusu wykorzystuje się wiele surowców roślinnych zawierających różne węglowodany. Można je podzielić
na dwie grupy:
- surowce zawierające wielocukry: ziemniaki, zboża, odpady krochmalnictwa, mąki, kasze, otręby;
- surowce zawierające cukry bezpośrednio fermentujące (głównie sacharozę, glukozę, fruktozę): melas, buraki cukrowe,
trzcinę cukrową, marchew, owoce świeże i suszone, odpady przemysłu owocowego.
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 nazywać się winem, lecz powinny być 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.
- 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
wykazywać 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 ilość cukru do otrzymania wina o odpowiedniej mocy,
zapewniającą mniejszą lub większą trwałość wina. Moszcz z innych owoców zawiera przeważnie zbyt mało cukru, a zbyt
wiele kwasów i dlatego musi być we właściwy sposób doprawiony, tzn. dosłodzony i ewentualnie rozcieńczony 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.
Podział win w zależności od:
a. Barwy:
- białe o barwie od jasnożółtej lub zielonkawej do brązowej;
- czerwone o barwie od jasnoczerwonej do ciemnowiśnowej;
- różowe o barwie od różowej do jasnoczerwonej.
b. Zawartości alkoholu:
- lekkie, o mocy 9–11% obj.;
- średnio mocne 11–14% obj.;
- mocne 14–18% obj.;
wzmocnione (alkoholizowane) o mocy powyżej 18% obj.
c. Zawartości cukru (cukry redukujące po inwersji g/l):
Wina gronowe
Wina owocowe
Wytrawne
Półwytrawne
Półsłodkie
Deserowe słodkie
Bardzo słodkie
do 10
powyżej 10 – 30
powyżej 30 – 60
powyżej 60
do 15
powyżej 15 – 30
powyżej 30 – 60
powyżej 60 – 100
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
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
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 zawierać dodatek barwników
spożywczych, karmelu lub cukru palonego.
Białe i różowe
Wymagania normatywne dla win
Ekstrakt bezcukrowy
Czerwone
Wino jednorodne z porzeczki agrestu i jeżyny
nie mniej niż [g/l]
Wina gronowe
Wina owocowe
15
15
17
19
—
15
Wina specjalne:
- wina alkoholizowane — z dodatkiem alkoholu etylowego pochodzenia rolniczego lub destylatu owocowego,
- wina aromatyzowane — z dodatkiem dozwolonych na podstawie przepisów o warunkach zdrowotnych żywności i
żywienia, ziół aromatycznych, przypraw korzennych lub naturalnych i identycznych z naturalnymi substancji
aromatycznych,
- wermuty — gronowe wino ziołowe, Nazwa wina pochodzi od niemieckiej nazwy piołunu Wermutkraut, który jest
podstawowym składnikiem wermutowych mieszanek ziołowych. Winem podstawowym jest wino białe. Oprócz piołunu w
skład mieszanek ziołowych wchodzą m.in. kolendra, tatarak, tysiącznik, krwawnik, majeranek, goździki, gałka
muszkatołowa, cynamon, wanilia i wiele innych,
- wina musujące i gazowane są to wina pozostające w stanie silnego nasycenia dwutlenkiem węgla (ciśnienie ok. 0,4-0,5
MPa) i wykazują zwykle umiarkowaną ilość alkoholu (10–12%),. Wysoki stopień nasycenia CO2 osiąga się przez dodatek
cukru do wina i wtórną fermentacją w naczyniu zamkniętym (wina musujące), lub przez sztuczne wysycenie CO2 z butli
(wina gazowane).
Rodzaje drożdży stosowanych w winiarstwie:
a. Wina lekkie: (10% alkoholu):
- białe – Chablis (Fr), Sauternes (Fr), Riesling (D);
- czerwone - Bordeaux (Fr).
b. Wina stołowe: (11-14%alkoholu):
- białe – Bingen (H), Steinberg (D), Tokay (H), Johannisberg;
- czerwone – Bordeaux, Bingen, Chambertin (Fr), Burgund (Fr).
c. Wina słodkie deserowe; (>14% alkoholu):
- białe – Bingen, Tokay, Madera (Portug.), Sherry (Hiszp.);
- czerwone – Portwein (Portug.), Malaga (Hiszp.), Burgund (Fr).
Wady wina - są to braki obniżające jego wygląd lub smak, które dają się łatwo usunąć. 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 kwasowość – zbyt wysoka, powyżej 12 g/l, zbyt niska, poniżej 9 g/l,
- nadmierna goryczka (nadgniłe owoce) – w celu korekcji należy wino dobrze wysiarkować i skupażować.
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,
- 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,
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
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 prężność 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 prężność 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 całość, 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 być kolba stożkowa, kolba
okrągłodenna lub butelka ze szlifem. W zasadzie nie powinno się używać zlewki. Termometr umieszcza się w ten sposób, aby
zbiorniczek rtęci znajdował się naprzeciw wlotu par do chłodnicy. Szlify w zestawionej aparaturze należy posmarować cienką
warstwą smaru pamiętając, że nadmiar smaru zanieczyszcza destylowaną ciecz. Istotną sprawą jest dobór odpowiedniego
rozmiaru kolby destylacyjnej. Przy rozpoczęciu destylacji kolba nie powinna być 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 ochłodzić. W
przeciwnym razie może nastąpić gwałtowne wrzenie i wyrzucenie cieczy z naczynia.
Uwaga: Kamyczki wrzenne są jednorazowego użytku i po każdym przerwaniu wrzenia należy dodać świeży kawałek
niepolewanej porcelany.
Po rozpoczęciu wrzenia można zauważyć pierścień skraplającej się pary, podnoszący się w kolbie i nasadce. Termometr
zaczyna wskazywać wzrost temperatury aż do chwili, gdy zacznie się destylacja. Ogrzewanie należy wyregulować tak, aby
szybkość destylacji wynosiła 1 - 2 krople na sekundę. Przy silnym grzaniu duża ilość destylatu przechodzi jako niżej wrzący
przedgon. Jeśli destylacja jest zbyt wolna można, to z powodu strat ciepła można nie zaobserwować prawdziwej temperatury
wrzenia. Uwaga: Nigdy nie należy destylować substancji "do sucha"!
Wykonanie ćwiczenia
I. Analiza fermentacji
1. Opisać wygląd makroskopowy beztlenowych hodowli drożdży.
2. Oznaczyć masę kolby i poziom cieczy (porównać z masa wyjściową).
3. Określić liczbę komórek drożdży w komorze Thoma (przed pobraniem materiału hodowlę wymieszać).
Komórki liczymy pod mikroskopem w komorze Thoma. W razie konieczności wykonujemy 10-krotne
rozcieńczenie hodowli w płynie fizjologicznym. Przy średniej liczbie komórek w jednym kwadraciku (a) i
rozcieńczeniu (n), zawartość komórek (L) w 1ml wynosi:
L = 4 x 106 x a x n [jtk/ml]
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
4. Oznaczanie mocy
- pomiar metodą piknometryczną
Do kolby destylacyjnej odmierzyć cylindrem miarowym 150ml hodowli. Zmontować zestaw do destylacji
prostej i po uruchomieniu przepływu wody przez chłodnicę, ostrożnie prowadzić destylację zbierając destylat
do kolby miarowej o objętości 100 cm3. Destylację zakończyć z chwilą uzyskania ok. 50ml destylatu pozostałość w kolbie destylacyjnej zachować do oznaczenia ekstraktu rzeczywistego !!!
Destylat przelać do cylindra miarowego o pojemności 100 cm3 i uzupełnić wodą destylowaną do poziomu co
najmniej 50 cm3 (zanotować dokładną ilość destylatu i dodanej wody).
Czysty i suchy piknometr zważyć na wadze analitycznej, następnie napełnić go wodą destylowaną o temp. ok.
20°C i ponownie zważyć. Tak samo postąpić z otrzymanym destylatem — napełnić piknometr i zważyć.
Gęstość destylatu (d) obliczyć ze wzoru:
P1 – P2 + m
d=
P2 – P 0 + m
P0 – masa piknometru pustego [g]
P1 – masa piknometru z destylatem o temperaturze 200C [g]
P2 – masa piknometru z wodą o temperaturze 200C [g]
m – poprawka na ważenie w powietrzu, która wynosi 0,0012
Na podstawie gęstości destylatu odczytać zawartość alkoholu etylowego z tablic (załącznik)
-
pomiar metodą areometryczną
Otrzymany destylat przelać do cylindra i zmierzyć zawartość alkoholu za pomocą areometru Trallesa
(alkoholomierza). W tym celu 30-40ml destylatu wlać do cylindra szklanego i powoli włożyć areometr. Po 1-2
minutach odczytać stężenie alkoholu.
- pomiar metodą refraktometryczną
Oznaczyć stężenie procentowe alkoholu w destylacie za pomocą refraktometru.
5. Oznaczanie ekstraktu rzeczywistego
- pomiar metodą areometryczną
Pozostałość po destylacji przenieść do cylindra miarowego o pojemności 250 cm3 i dopełnić wodą
destylowaną do 150 cm3 i oznaczyć zawartość ekstraktu rzeczywistego za pomocą areometru Ballinga. Ok. 3040ml roztworu przelać do cylindra szklanego i powoli włożyć areometr. Po 1-2 minutach odczytać zawartośc
ekstraktu.
- pomiar metoda refraktometryczną
Przy użyciu refraktometru dokonać pomiaru zawartości ekstraktu w roztworze po destylacji.
II. Opracowanie wyników
Wykonać następujące obliczenia:
- w oparciu o zawartość ekstraktu przed i po destylacji obliczyć na podstawie poniższego równania reakcji
stężenie etanolu wytworzonego przez drożdże
C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + CO2
-
w oparciu o moc uzyskanego destylatu (metody piknometryczna, areometryczna, nefelometryczna) obliczyć
stężenie etanolu wytworzonego przez drożdże.
Uzyskane wyniki wraz z opisanymi wnioskami zamieścić w sprawozdaniu.
III. Zagadnienia teoretyczne:
- destylacja prosta.
- temperatura wrzenia
- podział win
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
- drożdże stosowane do wyrobu wina
- wady i choroby wina
IV. Literatura:
1. Kunicki-Goldfinger W.; Życie bakterii; Wyd. PWN; Warszawa; 1998
2. Libudzisz Z. Kowal K.; Mikrobiologia techniczna; Wyd. Politechniki Łódzkiej; 2000
3. Bednarski W., Reps A.; Biotechnologia żywności; WNT; Warszawa; 2003.
Zależność pomiędzy gęstością wodnych roztworów etanolu w 20° C, a udziałem objętościowym etanolu
3
3
3
3
d , kg/m
Udział obj., %
d , kg/m
Udział obj., %
d , kg/m
Udział obj., %
d , kg/m
Udział obj., %
789,3
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
100,00
99,86
99,66
99,46
99,26
99,06
98,85
98,63
98,42
98,21
98,00
97,76
97,53
97,30
97,08
96,84
96,59
96,35
96,11
95,86
95,61
95,36
95,11
94,85
94,58
94,32
94,06
93,79
93,52
93,24
92,97
92,69
92,41
92,12
91,84
91,54
91,25
90,96
90,66
90,36
90,07
89,76
89,45
89,15
88,84
88,52
88,21
87,89
87,57
87,25
86,93
86,60
86,27
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857
858
859
860
861
862
863
864
865
866
867
868
869
870
871
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886
887
888
889
890
891
892
893
894
85,95
85,62
85,29
84,96
84,62
84,28
83,94
83,60
83,26
82,91
82,57
82,22
81,87
81,52
81,16
80,81
80,45
80,10
79,74
79,38
79,02
78,65
78,29
77,92
77,53
77,18
76,81
76,43
76,06
75,68
75,30
74,92
74,54
74,15
73,77
73,30
73,00
72,60
72,21
71,82
71,42
71,03
70,63
70,23
69,83
69,42
69,02
68,60
68,19
67,78
67,37
66,95
66,53
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904
905
906
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934
935
936
937
938
939
940
941
942
943
944
945
946
947
66,12
65,69
65,27
64,85
64,42
63,99
63,56
63,13
62,70
62,26
61,82
61,38
60,94
60,50
60,05
59,60
59,16
58,70
58,25
57,80
57,33
56,87
56,40
55,93
55,46
54,99
54,50
54,02
53,54
53,05
52,56
52,08
51,57
51,07
50,57
50,07
49,56
49,04
48,52
48,00
47,47
46,93
46,39
45,85
45,28
44,74
44,17
43,60
43,03
42,44
41,84
41,24
40,62
948
949
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963
964
965
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993
994
995
996
997
998
998,2
40,01
39,38
38,75
38,11
37,45
36,78
36,11
35,41
34,71
34,00
33,26
32,52
31,75
30,98
30,18
29,35
28,52
27,67
26,83
25,96
25,09
24,19
23,29
22,38
21,46
20,53
19,59
18,64
17,69
16,76
15,85
14,95
14,05
13,17
12,31
11,45
10,61
9,77
8,94
8,13
7,33
6,55
5,70
5,02
4,29
3,58
2,87
2,17
1,49
0,81
0,13
0,00