TEHNOLOGIA ALCOOLULUI SI A DROJDIEI - GENERALITATI. MATERII PRIME UTILIZATE LA FABRICAREA ALCOOLULUI SI A DROJDIEI

1.1. GENERALITATI

Industria alcoolului si a drojdiei se bazeaza in principal pe activitatea fermentativa a drojdiilor, care transforma glucidele fermentescibile din substrat in alcool etilic ca produs principal de fermentatie si respectiv in biomasa.

Cuvantul alcool provine de la cuvantul arab "al-kohol" care inseamna lucru, obiect subtil si este pentru prima oara citat in Europa in secolul al XIII-lea de alchimistul italian Taddeo Aldoretti (Firenze).

Adoptarea cuvantului alcohol, respectiv alcool este apoi completata de Arnoldo da Villanova in secolul al XIII-lea si intra in uzul alchimistilor in secolul al XIV-lea, prin lucrarile lui Teofrasto Paracelso cu semnificatia de "finete excelenta" pentru a fi readus si pus in folosinta curenta in 1787 de catre Lavoisier in noua sa nomenclatura chimica.

In secolele XIV÷XVI, obtinerea alcoolului devine din ce in ce mai obisnuita si apar o serie de denumiri cum ar fi cele de alcool din vin sau spirito di vino, avand semnificatia partii celei mai subtile a vinului reprezentata prin alcool. In secolul al XVIII-lea se fac primele studii privind formarea alcoolului prin fermentarea plamezilor zaharoase, sfarsitul acestui secol marcand un deosebit progres al cunostintelor despre natura alcoolului, formarea si constitutia sa precum si in privinta controlului sau analitic. Secolul al XVIII-lea marcheaza aprofundarea fenomenelor de transformare a amidonului in glucide si apoi a acestora in alcool, un rol deosebit avand vestitul chimist Lavoisier.

Studiile efectuate de Fabroni, Thenard, Appert, Gay-Lussac, Cagniari de Latour, Schwan, Turpin, Liebig si de celebrul Pasteur, in secolul al XIX-lea, cu privire la fermentatia alcoolica, au condus la obtinerea alcoolului pe scara industriala din diferite materii prime.

Tot in secolul al XIX-lea se produce pentru prima oara alcoolul pe cale sintetica sau prin compunerea elementelor obtinute din substante minerale. In prezent se produc cantitati mari de alcool atat pe cale naturala cat si pe cale sintetica.

Alcoolul etilic se produce in prezent pe plan mondial, in cea mai mare parte prin fermentarea plamezilor care contin glucide fermentescibile, cu ajutorul drojdiei. Alcoolul etilic obtinut pe cale biotehnologica mai poarta denumirea de bioalcool, deosebindu-se astfel de alcoolul etilic de sinteza. Alcoolul etilic rafinat are multiple utilizari in diferite industrii. In industria alimentara este folosit pentru fabricarea bauturilor alcoolice si a otetului, in industria chimica pentru obtinerea cauciucului sintetic si ca dizolvant, in industria farmaceutica pentru prepararea anumitor substante (eter, cloroform, s.a.), iar in medicina ca dezinfectant.

Alcoolul absolut, la concentratia de 99,8% vol., se utilizeaza in tarile lipsite de zacaminte petrolifere, drept carburant, in amestec de 20÷30% cu benzina careia ii mareste totodata si cifra octanica. Cel mai ambitios program privind folosirea alcoolului in scopuri energetice il are Brazilia care, sub denumirea de PROALCOOL, urmareste a inlocui 15÷21% din cantitatea de benzina cu alcool obtinut din trestie de zahar. In Japonia s-a elaborat programul RAPAD (Research Association for Petroleum Alternatives Developements) care urmareste realizarea de etanol si acetona-butanol-etanol prin procedee biotehnologice, folosind ca materie prima celuloza. In Franta programul Carburol urmareste realizarea alcoolului etilic din sfecla si a butanolului din paie. Noua Zeelanda a efectuat studii pentru obtinerea etanolului din lactoserum.

In notiunea de drojdii s-a inclus atat drojdia comprimata, folosita in industria panificatiei drept afanator biologic, cat si drojdia furajera, care este utilizata pe scara larga pentru completarea deficitului de proteine pe plan mondial pentru hrana animalelor.

1.2. MATERII PRIME UTILIZATE LA FABRICAREA    ALCOOLULUI SI

A DROJDIEI

In functie de natura substantelor utile pe care le contin, materiile prime folosite la fabricarea alcoolului si a drojdiei se pot clasifica astfel:

1. Materii prime amidonoase:

cereale: porumb, secara, grau, orz, ovaz, orez, sorg, etc;

cartofi;

radacini si tuberculi de plante tropicale: radacini de manioc, tuberculi de batate, etc.

2. Materii prime zaharoase:

sfecla si trestia de zahar;

melasa din sfecla si trestie de zahar;

struguri, fructe, tescovine dulci, etc.

3. Materii prime celulozice:

deseuri din lemn de brad, molid, fag, etc.;

lesii bisulfitice rezultate de la fabricarea celulozei.

4. Materii prime care contin inulina si lichenina:

tuberculi de topinambur;

radacini de cicoare;

muschi de Islanda.

Materiile prime prezentate nu epuizeaza totalitatea materiilor prime posibile a fi folosite la fabricarea alcoolului si drojdiei, se fac cercetari pentru descoperirea de noi surse de materii prime din care sa se poata obtine in conditii economice alcool si drojdie. In continuare se prezinta numai materiile prime utilizate in fabricile de alcool si drojdie din tara noastra.

Cele mai utilizate materii prime sunt melasa, cerealele si cartofii.

1.2.1. Melasa

Prin melasa se intelege ultimul reziduu care ramane de la fabricarea zaharului, in urma cristalizarii repetate a zaharozei si din care nu se mai poate obtine economic zahar prin cristalizare.

In timpul primului razboi mondial, ca urmare a faptului ca cerealele nu mai erau in cantitati suficiente, la fabricarea drojdiei plamezile amidonoase zaharificate au fost inlocuite cu melasa, care avea un pret mai convenabil si era mai usor de depozitat decat cerealele.

In prezent, in S.U.A., Europa, Australia ca si la noi in tara, melasa este principala materie prima folosita la fabricarea drojdiei de panificatie si in conditii dirijate, 4 g melasa (aproximativ 2 g zaharoza) pot contribui la obtinerea unui gram de drojdie de panificatie.

Caracteristici fizico-chimice. Din punct de vedere fizic, melasa se prezinta ca un lichid vascos, avand o culoare bruna-neagra, cu miros placut de cafea proaspat prajita si un gust dulce-amarui. Reactia melasei este, de regula, usor alcalina.

Compozitia chimica a melasei variaza in functie de materia prima folosita la fabricarea zaharului (sfecla sau trestie de zahar) si de procesul tehnologic aplicat in fabricile de zahar(tabelul 1).

Tabelul 1

Compozitia chimica a melasei din sfecla si trestie de zahar (dupa Reiff, 1962)

Melasa din sfecla de zahar are avantajul ca favorizeaza obtinerea unui produs de culoare mai deschisa, in schimb contine betaina ce nu este asimilata de catre drojdie si astfel prin deversarea apelor reziduale creste consumul biochimic de oxigen. De asemenea poate fi deficitara in biotina, vitamina necesara cresterii drojdiilor.

Tabelul 2

Compozitia chimica si indicii de calitate ai melasei din sfecla de zahar

Melasa din trestie de zahar este bogata in biotina, in schimb biomasa de drojdie obtinuta are o culoare mai inchisa, incat sunt necesare operatii suplimentare de spalare. Pentru a asigura un mediu optim de crestere, se pot folosi melase cupajate in care se adauga fosfati, surse de azot, factori de crestere; totusi, la noi in tara se prefera utilizarea melasei din sfecla de zahar la fabricarea drojdiei de panificatie, melasa din trestie de zahar fiind folosita la fabricarea alcoolului. Compozitia chimica a melasei obtinuta la fabricarea zaharului din sfecla de zahar este prezentata in tabelul 2 (Stoicescu, A., 1999).

Concentratia in substanta uscata a melasei se exprima in practica in grade Balling (Bllg) sau Brix (Bx), care reprezinta procente masice de substanta uscata dizolvata.

Glucidele din melasa de sfecla de zahar sunt reprezentate in cea mai mare parte din zaharoza, alaturi de care se mai gasesc cantitati mici de rafinoza si zahar invertit. Un procent mai ridicat de 1% denota contaminarea melasei cu microorganisme care produc invertirea zaharozei.

Nezaharul melasei cuprinde atat substante organice (substante azotoase si neazotoase) cat si saruri minerale.

Substantele azotoase sunt reprezentate in special prin produse de descompunere a proteinelor si in mai mica masura prin proteine macromoleculare. Dintre acestea in cantitatea cea mai mare se gaseste betaina, care poate sa ajunga pana la circa 5% fata de melasa. Dintre aminoacizi in cantitatea cea mai mare se afla acidul glutamic.

Cantitatea de substante azotoase, exprimate sub forma de azot total variaza intre 1,2 si 2,4%, din care azotul asimilabil reprezinta 0,4÷0,6%, cantitate care este insuficienta pentru nutritia drojdiei. Din aceasta cauza, atat la fabricarea alcoolului cat si a drojdiei este absolut necesara adaugarea de saruri de azot sub forma de sulfat de amoniu, fosfat de amoniu, apa amoniacala, uree, s.a.

Substantele neazotoase cuprind: pectine, hemiceluloze si produsele lor de hidroliza (arabinoza si galactoza) si saruri ale acizilor organici. Dintre vitamine s-au gasit in melasa din sfecla de zahar, tiamina, piridoxina si acidul pantotenic. Continutul melasei in vitamine prezinta o mare importanta la fabricarea alcoolului si mai ales a drojdiei.

Sarurile minerale se afla in proportie de 6÷8% fata de melasa si sunt reprezentate de saruri de K, Na, Ca si Mg ale acizilor carbonic, sulfuric, fosforic, s.a. Continutul in fosfor al melasei este foarte scazut, de aceea in procesul de fabricatie se procedeaza la corectarea continutului in fosfor al melasei prin adaos de superfosfat sau fosfat de amoniu. Melasa contine cantitati suficiente de Ca, in timp ce continutul ei in magneziu este scazut, in special atunci cand se trateaza zemurile pentru purificare cu schimbatori de ioni. Deficitul de magneziu al melasei se corecteaza prin adaos de sulfat de magneziu.

In melasa se mai gaseste si dioxid de sulf ce provine din procesul tehnologic de obtinere a zaharului, fiind folosit pentru decolorarea zemurilor de difuziune, cat si nitriti formati prin reducere din nitrati. Prezenta SO₂ si nitritilor este nedorita deoarece inhiba activitatea drojdiilor. Din acest motiv continutul melaselor in SO₂ nu trebuie sa depaseasca 0,008% (Hopulele, T., 1980).

Un loc aparte in compozitia melasei il ocupa coloizii de natura proteica, pectica, melanoidinica, care impiedica functionarea normala a celulei de drojdie si produc o spuma abundenta, nedorita, in linurile de fermentare. Din aceasta cauza este necesara limpezirea melasei.

Melasa mai contine substante colorante, care se compun din melanoidine, melanine, caramel, cat si suspensii formate prin coagularea coloizilor si precipitarea unor saruri anorganice si organice.

Compozitia si calitatea melasei difera de la fabrica la fabrica si chiar in cadrul aceleasi campanii, in raport cu:

calitatea sfeclei de zahar;

natura solului pe care a fost cultivata sfecla de zahar;

cantitatea si calitatea ingrasamintelor aplicate solului;

factorii meteorologici si climatici;

procesul tehnologic de extractie a zaharului;

conditiile de depozitare a melasei.

Compozitia chimica medie a melasei, in principalele microelemente este prezentata in tabelul 3 (Oura, 1983).

Tabelul 3

Compozitia chimica medie a melasei din sfecla de zahar (%)

Vitaminele din melasa sunt reprezentate, in principal, din biotina, acid pantotenic si inozitol (tabelul 4) (Stoicescu, A., 1999).   

Tabelul 4

Continutul in vitamine al melasei (mg/t melasa)

Calitatea melasei, ca materie prima este deosebit de importanta la multiplicarea drojdiei de panificatie. Industrial, se prefera    numai utilizarea melasei din sfecla de zahar, care este mai putin contaminata comparativ cu melasa din trestie de zahar.

In afara de substantele valoroase, melasa poate sa contina si substante cu efect inhibitor asupra activitatii fiziologice a drojdiilor, formate in procesul de obtinere a melasei. Dintre acestea fac parte :

imidodisulfonatul de potasiu, care in cantitati mai mari de 5%, inhiba activitatea drojdiilor. Rezulta din nitriti si sulfiti care ajung in melasa prin activitatea unor bacterii;

nitritii prezenti in melasa in concentratie mai mare de 0,02%, inhiba multiplicarea drojdiilor;

acidul acetic, acidul butiric, in concentratii mai mari de 0,1÷1%, inhiba multiplicarea drojdiilor (Dan, V., 1999).

Dintre aceste substante cea mai mare influenta o exercita nitritii rezultati in urma reducerii nitratilor din melasa, sub actiunea bacteriilor denitrificatoare. Acestea pot folosi nitratii ca acceptori de hidrogen, in locul oxigenului, in procesul de respiratie. Astfel, se produce reducerea nitratilor pana la azot sau amoniac.

Bacteriile denitrificatoare contin enzime induse, ca nitrat-reductaza si nitritreductaza, care realizeaza denitrificarea. La prezenta in mediu a nitratului si oxigenului molecular, denitrificatorii produc respiratia oxigenata a nitritilor si doar la deficit de O₂, ele trec la denitrificare.

Actiunea daunatoare a nitritilor consta in modificarea morfologiei celulelor, intarzierea respiratiei, inhibarea inmultirii si activitatii fermentative a celulelor de drojdie. Cea mai mare sensibilitate a fost semnalata in faza logaritmica de multiplicare a drojdiilor. La un continut in mediu de numai 0,0005% este inhibata inmugurirea normala a drojdiilor. Continutul in nitriti de 0,0004% reduce inmultirea drojdiilor de cultura cu 50%, iar in cantitate de 0,02%, inhiba aproape in totalitate cresterea si inmultirea celulelor, iar o parte din drojdii mor, in primul rand mugurii.

Daca concentratia nitritilor in mediu se micsoreaza de la 0,0037 la 0,001 % in cursul inmultirii drojdiilor, randamentul drojdiei se imbunatateste cu 8÷10%, iar de la concentratii de 0,009 la 0,002% cu 17÷21% (Notkima, 1975).

Rezistenta drojdiei de panificatie este dependenta si de gradul de contaminare al melasei. Melasa are o incarcare microbiana ridicata si se considera o melasa buna aceea care contine pana la 2·10³ celule/g; cea de calitate inferioara are peste 3·10⁴ celule/g.

In mod curent, decadal, se efectueaza analiza fizico-chimica si microbiologica la melasa existenta in stoc si care urmeaza a fi utilizata in productie. Analizele microbiologice constau in :

determinarea numarului total de bacterii aerobe, mezofile, mediu bulion de carne gelozat, termostatare 48 ore (35⁰), in UFC/g melasa;

determinarea numarului de drojdii si mucegaiuri, mediu must de malt agar cu pH = 3,5 ajustat la repartizare, termostatare 3 zile la 25⁰C, in UFC/g melasa;

test calitativ de evidentiere a bacteriilor din genul Leuconostoc, specia Leuconostoc mesenteroides prin cultivare din dilutii decimale in mediu imbogatit cu 15% zahar;

determinarea numarului de drojdii (osmofile) in mediu cu must de malt si 10% zahar, termostatare 3 zile la 25⁰C, in UFC/g melasa;

examen microscopic al coloniilor caracteristice in scopul identificarii.

1.2.2. Cerealele

Compozitia chimica a cerealelor variaza in functie de soi, conditiile pedoclimatice si agrotehnica aplicata. In tabelul 5 se prezinta compozitia chimica medie a principalelor cereale folosite la fabricarea alcoolului.

Tabelul 5

Compozitia chimica medie a unor cereale folosite la fabricarea alcoolului

(dupa Kreipe, 1972)

Porumbul reprezinta o cereala de baza folosita in economia tarii noastre atat in alimentatie, ca furaj cat si in industrie. Tara de origine a porumbului este Mexicul, la noi in tara a fost introdus in a doua jumatate a secolului al XVII-lea. In prezent suprafata cultivata de porumb ocupa locul doi dupa grau, dar din punct de vedre al recoltei obtinute, el se situeaza pe primul loc, avand o productie mai mare la hectar.

Se cunoaste un numar mare de soiuri de porumb, acestea deosebindu-se intre ele dupa caracteristici botanice si economice. Dupa timpul de vegetatie se disting soiuri tardive si precoce cu productie mare si mai mica, cu forme si marimi diferite ale boabelor, cu boabe diferit colorate, cu structura fainoasa, semisticloasa sau sticloasa.

Pentru fabricarea alcoolului se prefera porumbul cu boabe fainoase (specia Zea mays dentiformis), care se caracterizeaza printr-un continut ridicat in amidon si mai scazut in substante proteice.

Partile componente ale bobului de porumb sunt endospermul sau miezul fainos, invelisul si germenele (embrionul). Proportia medie a partilor componente se prezinta astfel: 81÷85% endosperm, 5÷11% invelis si 8÷14% embrion.

Continutul in amidon al porumbului reprezinta cca. 70% din substanta uscata a bobului. Datorita continutului ridicat in lipide, care sunt localizate in special in embrion, plamezile din porumb fermenteaza linistit aproape fara spuma, ceea ce permite utilizarea la maximum a capacitatilor de fermentare, iar borhotul rezultat de la distilare are o valoare furajera ridicata.

Secara este o cereala care din punct de vedere a gradului de utilizare ocupa in tara noastra locul doi dupa grau, dar sunt insa tari, cum sunt cele din nordul Europei, in care secara ocupa locul intai. Planta de secara face parte din familia gramineelor, cu tulpina inalta si frunze subtiri avand lungimea de 13÷20 cm. Inflorescenta este un spic cu fecundatie alogama, iar fructul, o cariopsa. Secara este o cereala putin pretentioasa la sol si climat.

Bobul de secara are unele trasaturi comune ce cele ale graului, are insa bobul mai alungit decat acesta. Bobul de secara se caracterizeaza prin: culoarea invelisului verde, galbena si uneori cenusie.

Din punct de vedere al legaturii straturilor secara prezinta unele deosebiri fata de grau: invelisul secarei are o concrestere mai avansata cu aleuronul si corpul fainos. Suprafata exterioara a bobului de secara privita cu lupa apare cu striuri transversale fine, iar santuletul ventral este mai putin evident decat la grau. De asemenea si perisorii sunt mai putin dezvoltati. Invelisul bobului de secara est mai gros si mai elastic , de aceea secara se macina greu si rezulta mai multa tarata.

Graul este folosit in principal la fabricarea fainii de diferite tipuri, a crupelor sub forma de gris si arpacas, a expandatelor si aplatizatelor de tipul pufarinului si a fulgilor, a pastelor fainoase, glucozei si alcoolului.

Graul a fost cultivat mai intai in Asia cu 5000÷6000 ani i.d.H., in Egipt cu 4000 ani i.d.H., in Europa cu 5000÷6000 ani i.d.H. In America s-a introdus in cultura in 1528, in S.U.A. din 1602 si in Canada din 1812. In Romania se cultiva din anii 3500÷5500 i.d.H. Cel mai raspandit soi cultivat in tara noastra este Triticum vulgan (paine, amidon, glucoza, etc.), urmat in procent mai redus de Triticum durum, pentru paste fainoase si expandate.

Principalele parti componente ale bobului de grau sunt: endospermul, invelisul si embrionul. Endospermul este format din doua parti: corpul fainos si stratul aeluronic. Stratul aleuronic infasoara miezul fainos cu intrerupere pe portiunea unde se afla germenele. Endospermul reprezinta 78÷82% din bobul intreg. Continutul de invelis al graului reprezinta circa 6÷8%. La macinis invelisul face corp comun cu stratul aleuronic care reprezinta si el 6÷8% si se elimina sub forma de tarata, in procent de 15÷22%.

Embrionul sau germenele este situat lateral, la partea inferioara a bobului fiind protejat numai de invelisul exterior al acestuia. Embrionul reprezinta intre 2÷3% din total. La macinis germenele se separa odata cu tarata sau se extrage in mod separat.

Proportia partilor componente ale bobului de grau ca de altfel si ale celorlalte cereale, constituie elemente principale, atat pentru tehnologia de prelucrare a cerealelor cat si pentru aportul pe care il aduce fiecare din aceste parti la valoarea alimentara a produselor finite.

Orzul este o cereala din familia Graminaceae, raspandita in toata Europa. Se foloseste in alimentatia omului ca fainuri si arpacas si a animalelor ca furaj, precum si in scopuri industriale la fabricarea amidonului, alcoolului, dextrinei, glucozei, berii, precum si pentru prepararea unor fainuri si produse in amestec cu faina de grau, orez, secara si porumb.

Bobul de orz poate fi imbracat sau golas, de culoare galben aurie, galben deschis, galben roscat sau cenusiu. Structura endospermului poate fi total sau partial sticloasa. In medie partile componente ale orzului sunt: 76,5% endosperm, 13% pleava, 7,5% aleuron si 3% embrion.

Ovazul este o planta anuala din familia gramineelor cu fructul fusiform, imbracat in palee, cu un sant pe fata inferioara, acoperit pe toata suprafata cu perisori scurti si fini. Partile componente ale ovazului cuprind urmatoarele proportii medii: 25% pleava, 3÷4% invelis, 1,4% stratul aleuronic, 3% embrion, 54% endosperm.

In afara de industria alcoolului, ovazul este folosit la fabricarea crupelor sub forma granulara, sau fulgi si mai rar la fabricarea unor sorturi de faina care impreuna cu faina de grau, secara sau orz intra in compozitia unor sortimente de panificatie. Produsele de ovaz sunt destinate in special copiilor, varstnicilor si in unele cazuri intra in dieta unor persoane suferinde.

1.2.3. Cartofii

Originar din America de Sud, cartoful (Solanum tuberosum) este o planta erbacee anuala, care se cultiva bine in zonele cu clima temperata si soluri nisipoase. In Romania se produc urmatoarele soiuri timpurii: Ostora, Sitema, Jaerla, Cobler, Carpatin; semitimpurii: Urgenta, Bintje, Brasoveanu, Gülbaba; semitarzii: Desirée, Colina, Magura; tarzii: Merkur, Ora, Eba si Uran.

In tara noastra se foloseste la fabricarea alcoolului excedentul de cartofi industriali rezultati din regiunile mai importante de cultivare (judetele Suceava, Covasna, Harghita, s.a.). Pentru industrializare se prefera soiurile tardive de cartofi, cu o perioada mai lunga de vegetatie, de circa 130 zile, care acumuleaza o cantitate mai mare de amidon si au o rezistenta mai buna la depozitare.

Compozitia chimica a cartofilor este prezentata in tabelul nr. 6.

Tabelul 6

Compozitia chimica a cartofilor (dupa Kreipe, 1972)

Pentru fabricarea alcoolului intereseaza in primul rand continutul in amidon, care variaza intre 14 si 22%.

La receptia cerealelor si cartofilor se determina continutul in amidon prin metoda polarimetrica (Ewers), in cazul cerealelor, si cu ajutorul balantelor de amidon, in cazul cartofilor (Reimann, Parow, Eckert) (Eckert, 1987; Goslich, 1984). In locul continutului in amidon se foloseste in prezent termenul de "substanta fermentescibila", care rezulta prin hidroliza totala a materiei prime cu enzime adecvate si determinarea glucozei formate prin metoda enzimatica (Senn, 1988).