Fermentacja Alkoholowa

Kotły bro­warnicze, służąco do warze­nia, czyli fermentowania piwa

Co to jest fer­men­ta­cja alkoholowa?

Czy wiesz jak powstaje alkohol? Co sprawia, że poziom etanolu rośnie, i co to jest ta cała fermentacja? Jeśli ciekawi cie czym są drożdże, oraz jak wpłwają na proces powstawania alkoholu. Zapraszamy do zapoznania się z naszym artykułem. Specjlanie dla was, ekipa bar wikipedi zgłebiła tajniki fermentacji alkoholowej.

 

Fer­men­ta­cja alko­ho­lowa, jest bez­tle­no­wym roz­pa­dem cukru, do dwu­tlenku węgla (CO2)alko­holu ety­lo­wego, w bro­warnictwie czę­sto zwana warze­niem. Pro­ces ten odbywa się, w komór­kach droż­dży z uży­ciem sze­regu enzy­mów. To jest w rze­czy­wi­sto­ści zło­żony cykl kon­wer­sji, które dopro­wa­dzają, do zamiany cukrów na CO2alko­hol. Droż­dże, przynależą do rodziny grzy­bów, które lubię myśleć i żyć jak rośliny. Problem w tym, że nie są one tak do rośli­nami, do zwie­rzęt rów­nież nie przynależą…

Kotły bro­warnicze, służąco do warze­nia, czyli fermentowania piwa
Kotły bro­warnicze, służąco do warze­nia, czyli fermentowania piwa

Zatem alko­hol, to jeden z pro­duktów powsta­ją­cych w wyniku fer­men­ta­cji. Alko­hol który jest w postaci cie­czy, dosko­nale nadaje się do oczysz­cze­nia (w pro­cesie desty­la­cji) i wytwa­rzania napo­jów alko­holowych. Alkohol, nie jest za spe­cjal­nie dobrym śro­do­wi­skiem życia dla droż­dży. Gdy pro­centowe stę­że­nie alko­holu, osią­gnie pewien pro­cent, który prze­kro­czy ich poziom tole­ran­cji. Umie­rają, a pro­ces fer­men­ta­cji dobiega końca.

 

Czym są drożdże

Mówiąc kon­kret­nie, droż­dże to euka­rio­tyczne mikroorga­nizmy*. Nie wszyst­kie droż­dże, są w sta­nie zapo­cząt­ko­wać pro­ces fer­men­ta­cji, wła­ści­wie to jedy­nie spe­cjalne grzyby-droż­dże, są w sta­nie go roz­po­cząć. Komórki droż­dżowe, uzy­skują ener­gii z prze­miany cukru na dwu­tle­nek węglaalko­hol.

Euka­rio­nity*- są to orga­nizmy zbu­do­wane z komó­rek, również posia­dają jądro komór­kowe z chro­mo­so­mami. Jest to jedyne, co odróż­nia je od pro­ka­rio­tów. Do euka­rion­tów zali­czane są, wszyst­kie orga­nizmy komór­kowe. Orga­ni­zmy jąr­dowe wyróż­nia się w ran­dze kró­le­stwa, do któ­rego współ­cze­śnie zali­cza się trzy pod­kró­le­stwa: rośliny (Phy­to­bionta), zwie­rzęta (Zoobionta) i grzyby (Myco­bionta). Warto dodać, że to wła­śnie komórka euka­rio­tyczna, zawiera wie­lo­krot­nie wię­cej mate­riału gene­tycz­nego niż pro­ka­rio­tyczna. Dzięki czemu jest w sta­nie pro­du­ko­wać wię­cej typów bia­łek, ma również poten­cjal­nie nie­ogra­ni­czone moż­li­wo­ści regu­la­cji.

Dwu­tle­nek węgla, jest niepożadanym efek­tem ubocz­nym, pod­czas prze­miany che­micz­nej w cie­czy. Ulat­nia się, pod posta­cią pęche­rzy­ków i roz­pra­sza w powie­trzu. W pomiesz­cze­niach zamknię­tych dwu­tle­nek węgla roz­pusz­cza się w cie­czy. Naj­lep­szy przy­kła­d jest prosty, napoje gazo­wane.

Już wiemy że podczas roz­padu cukrów,  powstaje gaz. Gaz zajmuje wiekszą powierzchnie niż płyn, co za tym idzie zaj­muje również jakąś prze­strzeń, w zamknię­tym szczelnie fer­men­ta­to­rze. Po jakimś czasie, gdy gaz zajmie całą pustą przestrzeń  spra­wi, że wzrośnie napór na ściany zamknię­tego zbior­nika, czyli powstanie ciśnie­nie. Naciski które two­rzą się przy pro­duk­cji C02, w zamknię­tej szczelnie prze­strzeni, mogą osiągać ogromne wartości. Z pew­no­ścią wystar­czy, aby spo­wo­do­wać eks­plo­zję w zamknię­tej szkla­nej butelce.

Fer­men­ta­cja alko­ho­lowa- jest wyni­kiem dzia­ła­nia, całej masy enzymów. Liczba tych enzy­mów, jest naprawde ogromna. Fermentacja to złożony proces chemiczny, podczas trwania wydzie­la się około 50 kca­l/mol, roz­ło­żo­nej hek­sozy. Sze­reg reak­cji  zacho­dzi także w komór­kach, w mię­si­stych dużych owo­cach, w nasio­nach okry­tych twardą łupiną i w korze­niach. Jeśli jest dużo wody w gle­bie, zacho­dzi w korze­niach roślin bagien­nych np. ryż.

 

Che­micz­nie…

Całym pro­ces fer­men­ta­cji, jest kon­wer­sja cukru glu­ko­zo­wego (C6H12O6) do alko­holu (CH3OHCH2) i dwu­tlen­kiem węgla (CO2). Prze­miana che­miczna w komór­kach droż­dży, zacho­dząca w tym pro­cesie jest bar­dzo skom­pli­ko­wana. Suma­ryczny wzór fer­men­ta­cji pre­zen­tuje się, w nastę­pu­jący spo­sób:

C6H12O6 ==> 2 (CH3CH2-OH) 2 + (CO 2) + Ener­gia (zawarta w postaci wytwa­rzanego, przez mito­chon­dria komó­rek ATP)
Cukier ====>Alko­hol+ dwu­tle­nek węgla + ener­gia
(Glu­koza) (Alko­hol ety­lowy)
Browar jak fermentuje piwo, drozdze
Prze­my­słowe zbior­niki fer­men­ta­cyjne. Na zdję­ciu bro­war Tychy.

Z powyż­szego wzoru wyda­wać się może, że fermentacja jest całkiem pro­stym procesem. Jeden mol glu­kozy jest kon­wer­to­wany do dwóch moli eta­nolu i dwóch moli dwu­tlenku węgla. Lecz w rze­czy­wi­sto­ści, to dale­kie od pro­stoty... 

 

Fermentacja wcale nie jest prosta..

Głównym problemem, jest powstająca ilość produktów ubocznych. Oprócz CO2 i alko­holu, cukier roz­pada się do innych pro­duktów ubocz­nych: bio­masa droż­dży, kwasy tłusz­czowe (piro­gro­nowy i alde­hyd octowy), gli­ce­rol, kwas bursz­ty­nowy. Pro­duktami ubocz­nymi fer­men­ta­cji są rów­nież: wyż­sze alko­hole i estry, które mają naj­więk­szy wpływ, na bukiet sma­kowo-zapa­chowy finalnego pro­duktu.

 

Prawidłowa fer­men­ta­cja

Tablice doty­czące warze­nia piwa, zwy­kle pocho­dzą z pomia­rów, a nie z usta­lo­nego wzoru. Sku­tecz­ność warun­ków droż­dżyfer­men­ta­cji, zmie­nia pro­por­cje pro­duktów ubocz­nych. Co to ozna­cza?
Pro­sta poje­dyn­cza for­muła, nie ist­nieje…

Nie­prze­wi­dy­wal­ność i brak moż­li­wo­ści, okre­śle­nia dokład­nej for­muły. Za każdym razem, warunki w wnętrzu fer­men­ta­tora, mogą być inne.. Nawet w przy­padku uży­wa­nia tego samego rodzaju droż­dży. Bro­war­nik, master desti­ler, gorzel­nik, mâi­tre de chai czy mistrz winiarni… Każdy z nich posiada doświad­cze­nie, ogromną wie­dzę czę­sto prze­ka­zy­waną z poko­le­nia na poko­le­nie, często docho­wu­jąc wie­lo­let­nich tra­dy­cji.

Więc, gdy następ­nym razem będziesz raczył się swym ulu­bio­nym trun­kiem. Pomyśl o jego twórcach, i smakuj doce­nia­jąc wspa­niały kunsztWinia­rze, będą reje­stro­wać zupeł­nie inną wydaj­ność droż­dży, od pro­du­cen­tów piwa. Warunki fer­men­ta­cji, takie jak tem­pe­ra­tura rów­nież będą inne, ilość i skład pro­duktów ubocz­nych także.

Wie­dza, ta jest bez­cenna dla pro­du­cen­tów wina, któ­rzy aby osią­gnąć wysoką pro­cen­to­wość i tzw. peł­nię, bądź głę­bie. Czę­sto oszu­kują, dodając środki zawie­rające gli­ce­rynę. Zatem, czasami można prze­czy­tać w pra­sie nie­po­ko­jące nowiny. Zda­rzają się ostat­nio rów­nież liczne apele, sprze­ciwy orga­ni­za­cji zrze­sza­ją­cych miło­śni­ków gro­no­wych trun­ków. Czego doty­czą?

W dobie, wszech­obec­nej gospo­darki wolno ryn­ko­wej i moc­nej kon­ku­ren­cji. Firmy szu­kają oszczęd­no­ści, zda­rzają się nie­le­galne podróbki, wina z nie pew­nego źró­dła. Szo­kiem zapewne, dla nie­jed­nego czy­tel­nika, będą odno­to­wane przy­padki zatru­ć, bar­dzo szko­dli­wymi dla czło­wieka, sub­stan­cjami. Uży­wa­nymi zwykle, w pro­duktach chroniących zama­rza­niu. Należy pamię­tać, gli­ce­rol może być sto­so­wany jako śro­dek prze­ciw zama­rza­niu, ale nie wszyst­kie takie środki opie­rają się na gli­ce­rolu. Zda­rzają się także bar­dzo tok­syczne, syntetyczne alter­na­tywy. Zatem stwierdze­nie: „środki prze­ciw zama­rza­niu doda­wane do wina” nie pozwa­lają jasno stwier­dzić, czy bar­dzo tok­syczne che­mi­ka­lia nie został przypadkiem dodane, czy był to po pro­stu gli­ce­rol. Glicerol dodawany jest, w celu dostar­cze­nia natu­ral­nej wysokiej zawar­to­ści gli­ce­ryny. W rze­czy­wi­sto­ści gli­ce­ryna jest często sto­so­wana w produkcji żyw­no­ści, jest zdro­wia i nie­zbędna przy pro­duk­cji win. Wino pro­du­ko­wane w warun­kach, gdzie była niska zawartość gli­ce­ryny, jako pro­dukt ubocz­ny. Może sku­sić pro­du­centa, do doda­nia cze­goś co poru­szy orga­nizm wina do działania.

Winiarskie fermentatory, co to fermentacja
Winiarskie fermentatory

Doda­wa­nie spo­żyw­czej gli­ce­ryny, w celu zwięk­sze­nia pro­cen­to­wo­ści wina. To napewno nie jest ide­alne rozwiązanie. Jed­nak, nie ma rów­nież, żadnego powodu do paniki. Jeżeli gli­ce­rol jest natu­ralny, to taki również bywa, cze­stym skład­ni­kiem pro­duktów spo­żyw­czych. Nato­miast próba zaosz­cze­dze­nia i sto­so­wa­nie środ­ków odmra­ża­ja­cych, może dopro­wa­dzić nawet do śmier­tel­nego zatru­cia groź­nymi sub­stan­cjami.

Cukry, muszą być dozo­wane zgod­nie z zakre­sem zdol­no­ści do fer­men­ta­cji enzymu. Cukier pod wpły­wem enzymu ulega roz­pa­dowi, na glu­kozę, alko­holCO2. Pozo­stałe cukry pozo­stają natomiast, roz­pusz­czone w roz­two­rze.

 

Kilka słów o drożdżach 

Droż­dże piwne, tole­rują do około 5% alko­holu. Ponad ten pozio­m alko­holu droż­dże umie­rają, nie możemy kon­ty­nu­ować więc pro­cesu fer­men­ta­cji. Droż­dże winne znów, tole­rują większy zakres około 12% alko­holu. Sto­pień tole­ran­cji na alko­hol w droż­dżach winnych, waha się od 5%, do nawet 21% alkoholu.  Zależ­nie od szczepu, jak i warun­ków śro­do­wi­sko­wych. Fer­men­ta­cja ma swoje gra­nice w zawartości alkoholu, ale jest rów­nież zależna od czyn­ni­ków, jak np. tem­pe­ra­tura. Więk­sza niż 27 ° C zabija droż­dże, natomiast mniej­sza niż 15 ° C zmie­nia wła­ści­wo­ści. Niska temperatura zmniej­sza aktyw­no­ści droż­dży, więc pro­ces fer­men­ta­cji jest zbyt wolny.

Jak, już wspo­mi­na­liśmy nie wszyst­kie cukry, nadają się do fer­men­ta­cji. Część cukrów fer­men­tu­ją­cych w roz­two­rze, pozo­staje w nim po zakończeniu procesu. Spowo­duje to, że słod­szy będzie pro­dukt koń­cowy, a większa w nim zawartość cukru. Słódy piwne znów, po fer­men­ta­cji cukrów, mogą być, a wręcz powinny być. Wzbo­ga­cane o odpo­wied­nią ilo­śc chmielu, ma to na celu rów­no­wa­że­nia goryczy. Ilość cukru w roz­two­rze, może być rów­nież zbyt duża, co może zapo­biec cał­ko­wi­cie rozpoczęciu procesu fer­men­ta­cji.

 

Dla­czego droż­dże prze­stają dzia­łać na pew­nych pozio­mach alko­holu

Zdol­ność komó­rek droż­dży, do kon­wer­to­wa­nia cukru w dwu­tle­nek węglaalko­hol. Jest mocno zależna od enzy­mów. Kilka enzy­mów, nie­ustan­nie zaan­ga­żo­wa­nych w proces, z czego każdy ma swój etap, w którym działa. Ostat­nim kro­kiem jest reduk­cja zymazy, która odbywa się jako pro­dukt koń­cowy innych enzy­mów (alde­hyd octowy / gli­ce­rol), to właśnie ten enzym zamie­nia cukry, w stary dobry alko­hol ety­lowy. Nie­stety w osta­tecz­no­ści wyso­kie stę­że­nie
Fermentacja w warunkach domowych
Znany widok? Fermentacja w warunkach domowych
alko­holu, nisz­czy enzymy i zabija komórki droż­dży. Jak pisa­liśmy powy­żej, różne dro­dze mają różną specyfike, osią­gają i wytrzy­mują różne stę­że­nia alko­holu. Droż­dże piwne, nie mogą wytrzy­mać znacz­nie wię­cej niż 5-6% alko­holu. Droż­dże winne, są znacznie bar­dziej tole­ran­cyjne, ich wytrzy­ma­łość waha się w zakre­sie 10–15%. Spe­cjal­nie hodo­wane szczepy droż­dży, z wła­ści­wego śro­do­wi­ska, mogą wytrzy­mać nawet 21% poziom alko­holu.

 

Rodzaje droż­dży

Orga­ni­zmy fer­men­ta­cji alko­holowej. Miedzy innymi wiele grzy­bów strzęp­ko­wych (Mucom, Rhi­zo­pus) oraz bak­te­rii (Sar­cina ven­tri­culi) wytwa­rzają eta­nol. Jed­nak, prak­tyczne zasto­so­wa­nie mają, tylko te u któ­rych eta­nol, jest pro­duktem głów­nym. W prze­my­śle sto­so­wane są różne gatunki, jak i rasy droż­dży, wiekszość nale­żą­cych, do rodzaju Sac­cha­ro­my­ces. Fer­men­tują one, po przez cukry pro­ste. Takie jak: glu­koza, fruk­toza, man­noza także mal­toza i sacha­roza. Pod­czas inten­syw­nego prze­biegu fer­men­ta­cji, komórki droż­dży są roz­miesz­czone w całej obję­to­ści płynu. Droż­dże fer­men­ta­cji gór­nej (Sac­cha­ro­my­ces cere­vi­siae), przeprowadzają swoje pro­cesy, w wyż­szej tem­pe­ra­tu­rze, niż droż­dże fer­men­ta­cji dol­nej (Sac­cha­ro­my­ces carls­ber­gen­sis). Sam pro­ces, prze­biega bar­dzo inten­syw­nie, wydzie­lając duże ilo­ści CO2.

 

 Ciekawostka o fermentacji winnej...

Niek­tóre prze­pisy na wina, zale­cają doda­nie cukru,  ale tylko w czę­ści
przed fer­men­ta­cją, natomiast uzu­peł­nie­nie pozo­sta­łej ilo­ści, już w trak­cie
jej trwa­nia. Jest to szcze­gól­nie ważne, jeśli celem jest, wytworzenie wyso­kiego poziomu alko­holu. Niek­tóre szczepy droż­dży, ewo­lu­owały do poziomu ob­sługi wyż­szej zawartości cukru. Szcze­gól­nie droż­dże szcze­pów takich jak, Tokaj i Sau­terne, mogą obsłu­żyć wysoki poziom cukru.

Nor­malne, czę­sto spo­ty­kane wina domo­wej roboty. Fer­men­tują w pro­cesie, który możemy podzie­lić na dwa etapy:

Część 1
Aero­bowy (Tlen jest obecny)
Jest to pro­ces, w któ­rym droż­dże szybko ule­gają podwo­je­niu, wiel­ko­ści kolo­nii, około co cztery godziny.
(Trwa z reguły 24–48 dni)
Część 2
Bez­tle­nowy (Nie wystę­puje tlen)
Znacz­nie wol­niej­sza aktyw­ność, droż­dże sku­piają się na kon­wer­sji cukru w alko­hol. Raczej, cięgle zwięk­sza­jąca się ilość komó­rek droż­dży.
(Pro­ces ten, może trwać od kilku dni, nawet do kilku tygo­dni. W zależ­no­ści od rodzaju droż­dży i recep­tury).

 

Zasto­so­wa­nie fer­men­ta­cji alko­holowej

Fer­men­ta­cja alko­ho­lowa cukrów, w obec­no­ści droż­dży, należy do szybko roz­wi­ja­ją­cej się gałęzi prze­my­słu. Jest wyko­rzy­sty­wana w piwo­war­stwie, winiar­stwie, gorzel­nic­twie, kan­dy­zo­wa­niu owo­ców, pro­duk­cji droż­dży, pie­czywa, a także w ochro­nie śro­do­wi­ska. Pro­ces polega, na utle­nia­niu węglo­wo­da­nów, przez odpo­wied­nie szczepy droż­dży. W wyniku czego powstaje alko­hol ety­lowy, wyko­rzy­sty­wany do celów spo­żyw­czych oraz prze­my­sło­wych. Surowce sto­so­wane w prze­my­śle fer­men­ta­cyj­nym, dzielą się na trzy grupy:

  • Do pierw­szej zali­cza się pro­dukty cukrowe: melasę, soki owo­cowe, trzcinę cukrową,
  • Do dru­giej – mate­riały zawie­rające skro­bię (żyto, jęcz­mień i psze­nicę),  
  • do trze­ciej pro­dukty poce­lu­lo­zowe (drewno i ługi posiar­czy­nowe). 

Droż­dże zawie­rają enzymy, które hydro­li­zują disa­cha­rydy na cukry pro­ste. Jedy­nie cztery hek­sozy, ule­gają fer­men­ta­cji pod wpły­wem droż­dży: D-glu­koza, D-man­noza, D-fruk­toza i D-galak­toza. Ostat­nia ulega fer­men­ta­cji z trud­no­ścią, i to nie pod wpły­wem wszyst­kich gatun­ków droż­dży. Koń­cowy pro­dukt fer­men­ta­cji, czyli alko­hol. Oddziela się, od reszty niechcianych związków,  przez desty­la­cję. Wydaj­ność obli­czona w sto­sunku, fer­men­tu­ją­cych cukrów wynosi około 90%. Głów­nym pro­ble­mem, jest duży koszt tech­no­lo­gii, prze­robu celu­lozy. Co powo­duje, że koszt pro­duk­cji eta­nolu celu­lo­zo­wego, jest więk­szy o 50% niż w przy­padku tra­dy­cyj­nych surow­ców. Jed­nak postęp w tech­no­lo­gii prze­robu eta­nolu, jest tak szybki, że w ciągu naj­bliż­szych kilku lat, należy ocze­ki­wać zna­czą­cego obni­że­nia kosz­tów pro­duk­cji eta­nolu z celu­lozy.

Wnętrze browaru fermentacja alkoholowa
Wnętrze browaru

W wyniku hydro­lizy celu­lozy, zawar­tej w tro­ci­nach drzew­nych, powstaje glu­koza. Tą wła­śnie metodą w nie­któ­rych pań­stwach, jak np. Szwe­cja, Fin­lan­dia, Kanada, czy Bra­zy­lia, z odpa­dów drewna pro­du­kuje się glu­kozę. Z niej natomiast, po przez droż­dże.. eta­nol (fer­men­ta­cja alko­ho­lowa). Obec­nie tech­no­lo­gia pro­duk­cji bioeta­nolu celu­lo­zo­wego, jest stale uno­wo­cze­śniana. Każdy suro­wiec, jak np. drewno, słoma, rdze­nie kolby kuku­ry­dzy, śmieci orga­niczne, składa się z około 60% celu­lozy, którą można roz­ło­żyć do glu­kozy, wyko­rzy­sty­wanej w fer­men­ta­cji i pro­duk­cji eta­nolu. Bioeta­nol celu­lo­zowy, znaj­duje zasto­so­wa­nie w moto­ry­za­cji, jako paliwo samo­dzielne E100 (100% EtOH) lub jako kom­po­nent w pali­wie (E5 – 5% obj. eta­nolu w ben­zy­nie oraz odpo­wied­nio E10, E22, E85 i E95). Czy­sty eta­nol, oraz paliwa E95 i E85 mogą być wyko­rzy­sty­wane w spe­cjal­nych lub przy­sto­so­wa­nych sil­ni­kach spa­li­no­wych. Paliwo E5, sto­suje się do wszyst­kich samo­cho­dów z sil­ni­kami na ben­zynę. W nie­któ­rych kra­jach Europy (np. w Szwe­cji), E10 wyko­rzy­stuje się do sil­ni­ków ben­zy­no­wych. W USA, nato­miast E22 do sil­ni­ków nisko­pręż­nych w Bra­zy­lii. Mie­sza­jąc ben­zynębio­eta­no­lem celu­lo­zo­wym, otrzy­muje się mie­sza­ninę, wzbo­ga­coną w tlen. Co znacznie polep­sza, para­me­try spa­la­nia, a tym samym obniża emi­sję tlenku węgla do atmos­fery.

 

Zapraszamy do zapoznania się, z naszymi pokrewnymi, artykułami o fermentacji i alkoholu. Artykuł się spodobał? Moż czegoś zabrakło? Zachęcamy do komentowania i dyskusji na naszym blogu. Pozdrawiamy Ekipa Bar Wikipedia!!!

Fermentacja Alkoholowa
5 (100%) 1 vote

Podobne wpisy

Dodaj komentarz