Оцтова кислота

 

Оцтова кислота (СН₃СООН) (рис. 8.5) – широко використовується в харчовій, промисловості.

Рис. 8.5. Структурна формула оцтової кислоти.

 

Одержання оцтової кислоти із спиртовмісних рідин було відомо більше 10 тис. років тому. В ті часи древні греки і римляни використовували оцет як освіжаючий напій, який одержували, головним чином, залишаючи вино відкритим. У більших масштабах оцет тривалий час одержували в плоских відкритих бочках, в яких плівка бактерій знаходилася на поверхні. В ХІХ-ому столітті поверхневі процеси почали заміняти більш ефективними. Так, було розроблено процес одержання оцтової кислоти в струменевому генераторі. В середині ХХ століття з’явились глибинні процеси ферментації. Вдосконалений генератор Фрінгса використовується і в наш час.

Оцтовокисле бродіння засноване на здатності оцтовокислих бактерій окиснювати спирт киснем повітря за участі алкогольдегідрогенази в оцтову кислоту:

СН₃СН₂ОН+О₂ → СН₃СООН+Н₂О,

при цьому із 1 моля етанолу утворюється моль оцтової кислоти, а з 1 л 12 об.% спирту – 12,4 масових % оцтової кислоти.

Даний процес можуть реалізувати багато бактерій, але в промислових технологіях для одержання оцту використовують оцтовокислі бактерії роду Acetobacter, інтерес представляють також бактерії Gluconobacter. Більшу частину оцту одержують, використовуючи розведений спирт.

В даний час процес реалізують як поверхневим, так і глибинним способом. Поверхневий режим протікає у струменевих генераторах, заповнених стружкою, об’ємом до 60 м³. Вихідний поживний розчин з культурою-продуцентом розпилюють по поверхні стружки, який, стікаючи, збирається у нижній частині апарату. Після цього рідину збирають і знову закачують у верхню частину апарату. Процедуру повторюють 3-4 рази, в результаті протягом 3 діб до 90% спирту трансформується в ацетат. Цей древній спосіб протікає більш ефективно і рівномірно у генераторах Фрінгса з автоматичним підтриманням температури і подачею повітря. За такою технологією виробляють до 400 млн. л оцтової кислоти в рік.

Сучасні промислові процеси одержання оцтової кислоти реалізують у глибинній культурі в спеціальних аераційних апаратах з термостабілізацією і механічною системою піногасіння. Швидкість аерації складає 3,4 м³/м³×год, обертання ротора – 1500 об/хв., температура – 30 ˚С. Вихідна інокуляційна суміш містить етанол і оцтову кислоту, відповідно, близько 5 і 7 %; кінцева концентрація оцту через 1,5 доби складає 12-13 %. Процес – напівпроточний, відливно-доливний. Кожні 30-35 год до 60 % культури заміняють на свіже сусло. При глибинній ферментації вихід продукту становить на 1 м³, що в 10 разів вище, порівняно з поверхневою ферментацією. До початку 90-х років таким способом виробляли до 715 млн. літрів 10 %-ої оцтової кислоти на рік.

Розроблено і реалізовано ефективний неперервний спосіб одержання оцтової кислоти в батареї послідовно працюючих ферментерів (зазвичай 5 апаратів). Температура культивування складає 28 ˚С для Acetobacter і 35 ˚С – при використанні в якості продуцента культури Bacterium schutzenbachii.

Найкращою сировиною є етиловий спирт, одержаний із зерно-картопляної сировини, при його концентрації близько 10 %. Оптимум рН для розвитку бактерій – близько 3. При збільшенні вмісту оцтової кислоти в культурі вище 8 % ріст бактерій уповільнюється, при 12-14 % – припиняється. Тому процес проводять у батареї послідовно з’єднаних апаратів. Перший виконує роль інокулятора, тому в нього безперервно подають свіже середовище і підтримують умови , оптимальні для швидкого утворення біомаси бактерій. Культура з першого апарата надходить у другий, і далі – в наступні, при цьому транспортування культуральної рідини здійснюється повітрям.

У кожному апараті умови ферментації стабілізуються відповідно до вимог перебігу ферментації, при поступовому зниженні температури середовища від 28˚С в першому апараті до 25 ˚С – в останньому. Режим аерації також змінюється від 0,4 до 0,15 м³/м³×хв. Концентрація спирту з другого по четвертий апарат стабілізується на потрібному рівні подачею в них середовища з 40 %-им етанолом. З останнього апарату виводиться культуральна рідина з вмістом ацетату не нижче 9,0 і не вище 9,3 %.

Вихід кислоти становить до 90 кг із 100 л безводного спирту.

На постферментаційній стадії після відділення бактеріальної біомаси розчин оцту фільтрують, звільнюючи від зафарбованих і зважених частинок, і далі піддають пастеризації. Для підвищення концентрації вихідні розчини виморожують до 20-30 %. Подальше концентрування до льодяної оцтової кислоти (98,0-99,8 %), проводять методом перегонки.

У столовому оцті міститься 5-9 % оцтової кислоти. Оцет з концентрацією кислоти 20-30 % одержують шляхом виморожування вихідного розчину. Шляхом перегонки одержують 70-80 %-ову оцтову кислоту, так звану оцтову есенцію. Крижана оцтова кислота містить 98,0-99,8 % кислоти.

Оцет, одержаний під час бродіння, має приємні аромат і смак, обумовлені побічними продуктами бродіння: складні ефіри (етилацетат та ін.), вищі спирти, органічні кислоти.

На рис. 8.6 наведено схему одержання столового оцту.

 

Рис. 8.6. Схема одержання столового оцту.

 

Оцтову кислоту або оцет широко використовують у харчовій промисловості. Оцет, одержаний мікробіологічним шляхом (харчова оцтова кислота, столовий оцет), розрізняється по сортах залежно від характеру зброджуваного субстрату. Відомий яблучний, виноградний, грушевий та інші сорти оцту.

 

8.1.4. Глюконова кислота

 

Глюконова кислота – одноосновна пентокислота, яку одержують при ферментативному окисненні глюкози за участю глюкозооксидази.

Продуценти глюконової кислоти – гриби (Penicillium, Aspergillus). Ферментацію в промислових масштабах здійснюють поверхневим і глибинним способами; використовують середовища з високим (до 30-35 %) вмістом глюкози, у складі середовищ – сульфат магнію, фосфат калію, джерело азоту, а також вуглекислий кальцій. Процес завершується при залишковій концентрації цукру близько 1 %. Готовий продукт – кристалічні солі – глюконати.

Глюконова кислота має багато галузей застосування. У харчовій промисловості широко використовують кальцій-, залізо- і калійні солі глюконової кислоти.

 

8.2. Амінокислоти

 

Існує декілька способів одержання амінокислот. При їх виробництві можуть бути використані відходи м´ясопереробної промисловості (відходи обробки тваринної сировини, кров і т.д.), яєчний білок, казеїн молока, клейковина пшениці, соєвий шрот і т.і. При переробці цієї сировини всі амінокислоти переходять у гідролізат, і для виділення окремих амінокислот необхідна складне багатостадійне очищеня. Крім того, сама сировина вважається дефіцитною і дороговартісною, тому амінокислоти мають високу собівартість.

Хімічний синтез амінокислот досить ефективний, але його недоліком є утворення в процесі синтезу суміші із біологічно активної L-форми і D-ізомеру амінокислоти. D-форма являється баластом, так як не засвоюється організмом тварин і людини, а деякі D-форми амінокислот володіють токсичними властивостями. Розділення ізомерів – дороговартісна і трудомістка процедура. Синтетичним способом виробляється незамінна амінокислота метіонін.

В даний час велику частину амінокислот одержують мікробним синтезом, причому мікроорганізми синтезують тільки L-форму. Це значно полегшує виділення і очищення амінокислот і дозволяє одержувати препарати з низькою собівартістю. Мікроорганізми синтезують амінокислоти екзогенно, тому їх виділяють із фільтрату культуральної рідини.

Глутамінова кислота – перша амінокислота, одержана мікробним синтезом. Належить до замінних кислот, володіє приємними органолептичними властивостями і знаходить широке застосування. Продуцентами глутамінової кислоти є бактерії різних родів. У промисловому виробництві використовують бактерії Corinebacterium glutamicum і Brevibacterium flavum та ін.

За умов росту Corinebacterium glutamicum у середовищі з меншою, ніж оптимальна, концентрацією біотину (вітаміну Н), порушується синтез мембранних фосфоліпідів, у результаті чого глутамат натрію проходить через мембрану і накопичується в культуральній рідині. Те ж саме відбувається при додаванні у поживне середовище пеніциліну (пригнічує синтез клітинної стінки і тим самим сприяє виділенню амінокислоти).

Лізин утворюють безліч мікроорганізмів: бактерії, актиноміцети, синьо-зелені водорослі, деякі види мікроскопічних грибів. У нашій країні в якості продуцентів лізину використовують бактерії родів Corinebacterium (C. glutamicum), Micrococcus, Brevibacterium. Поживним середовищем є меляса або оцтова кислота.

Триптофан утворюють бактерії і мікроміцети: Aerobacter, Bacillus, Escherichia (E. coli), Sacсharomyces (S. сerevisiae), Candida та ін. Найбільш активні продуценті L-триптофану – представники роду Micrococcus, Candida utilis, Bacillus subtilis.

Основними споживачами амінокислот є сільське господарство і харчова промисловість. Амінокислоти (найчастіше лізин) використовують як збагачувачі кормів та харчових продуктів рослинного походження для підвищення їх поживної цінності та для збалансування їжі за незамінними амінокислотами. Використання 1 т лізину в комбікормовій промисловості дозволяє зекономити 40-50 т фуражного зерна.

Деякі амінокислоти використовують в якості приправ, так як вони володіють певними смаковими властивостями і можуть надавати продукту приємні аромат та смак. Широкого поширення набула глутамінова кислота і її натрієва сіль (глутамат натрію), яка є ефективним підсилювачем смаку м´ясних і овочевих страв. Дану амінокислоту додають до багатьох продуктів при консервуванні, заморожуванні і тривалому зберіганні. Зростає попит на гліцин і аланін, які також застосовують в якості приправ.

Багато амінокислот володіють оригінальним смаком і беруть участь в утворенні смакових особливостей харчових продуктів. Наприклад, аспарагінова і глутамінова кислоти, кислі на смак, у нейтральних розчинах мають досить приємний оригінальний смак; гліцин володіє характерним смаком «освіжаючих» солодощів, які за інтенсивністю близькі до сахарози.

Особливий інтерес представляє підсолоджувач аспартам, молекула якого утворена з 2 амінокислот – фенілаланіну і аспарагінової кислоти. Ці амінокислоти синтезуються мікробіологічним шляхом, а аспартам із даних мономерів – за допомогою ферментів. Солодкість аспартаму в 200 разів перевищує солодкість цукру.

Для поліпшення органолептичних показників м´ясних продуктів, надання їм специфічного приємного смаку і аромату використовують цистин, лізин, гістидин. Цистеїн і цистинз глутаматом натрію створюють імітацію запаху і смаку м´яса, що використовується при виготовленні приправ. Цистеїн, крім того, застосовується для створення пористої структури хліба. Добавка до порошкового молока гістидину і триптофану знімає неприємний “окислений” присмак.

За температури 100-120 °С і сильнолужній реакції деякі амінокислоти взаємодіють з цукрами і утворюють харчові барвники, які володіють антиокислювальною дією.

Таким чином, різноманітні амінокислоти знаходять широке застосування в багатьох галузях харчової промисловості, підвищуючи поживну цінність харчових продуктів, приймаючи участь у покращенні органолептичних показників і підвищуючи їх стабільність при тривалому зберіганні.