OCET. CO TO JE A JAK SE TO VYRÁBÍ | Věda a život

Mnoho pokrmů v kuchyních různých národů světa se bez octa neobejde. V přípravách se bez něj neobejdete a ocet slouží i jako jednoduché dochucovadlo mnoha pokrmů. Výroba octa, stejně jako výroba vína, je jedním z nejstarších technologických postupů, které člověk ovládá. Pokud ale za posledních pár tisíciletí nedošlo ve výrobě vína k žádným zásadním změnám (použití moderních zařízení se nepočítá), pak ve výrobě octa v 70. letech dvacátého století došlo ke skutečné revoluci.

Věda a život // Ilustrace
Rýže. 1. Schutzenbachův aparát: 1 – dřevěná kónická nádoba; 2 – vrstva bukových hoblin.

Rýže. 2. Frings aparát: 1 – tělo; 2 — nepravé děrované dno; 3 – vrstva bukových hoblin; 4 – oběhové čerpadlo; 5 — cívka termostatického systému; 6 – rozvaděč.

Rýže. 3. Schéma fermentoru na výrobu octa: 1 – nerezové tělo; 2 – míchací zařízení; 3 – provzdušňovač (obvykle nazývaný bubbler); 4 – cívka systému termostatu.

Rýže. 4. Schéma instalace pro výrobu octa v kontinuálním režimu. K proudění kapaliny z přístroje do přístroje dochází v důsledku rozdílu tlaku ve „vzduchovém polštáři“, který vzniká v důsledku různých hloubek přenosových trubek h: h2 > h3 > h4 > h5.

Začněme tím, že hlavní složkou potravinářského octa je kyselina octová. Lze jej získat dvěma způsoby: chemicky – z produktů suché destilace dřeva a mikrobiologicky – v důsledku octové fermentace kapalin obsahujících alkohol, jako je hroznové víno, jablečný mošt, pivní mladina, kvašený med a šťávy různých druhů ovoce nebo vodný roztok ethylalkoholu (C 2 H 5 HE). V takových kapalinách oxidaci ethanolu na kyselinu octovou ve většině případů provádějí octové bakterie Acetobacter aceti. Výsledkem je, že hotový výrobek obsahuje nejen kyselinu, ale také malé množství esterů, aldehydů a dalších organických sloučenin. Právě díky těmto látkám získává potravinářský ocet svou zvláštní chuť a příjemnou vůni. Kyselina octová zředěná vodou, získaná chemicky, takové vlastnosti postrádá. Předpokládá se, že v potravinářském průmyslu a v každodenním životě je lepší používat ocet vyrobený biochemickou metodou.

Technologie výroby octa má zajímavou a složitou historii. Již v prvním tisíciletí před naším letopočtem si vinaři všimli, že pokud víno zůstane v otevřené nádobě, po nějaké době zkysne a změní se v ocet. Toto pozorování bylo používáno po dlouhou dobu, aniž by šlo konkrétně o podstatu toho, co se děje s produktem.

Jedna z „nejstarších“ metod výroby octa se obvykle nazývá metoda Orleans. Na začátku procesu se 10-12 litrů hotového nefiltrovaného octa nalije do speciálně tvarovaných dřevěných sudů umístěných v izolované místnosti v několika řadách nad sebou. Tato porce je jakýmsi předkrmem, protože nefiltrovaný ocet obsahuje poměrně velké množství bakterií. Do octa se přidá přibližně 10 litrů filtrovaného vína. Po osmi dnech, pokud proces probíhá dobře, přidejte dalších 10 litrů a tak dále, dokud se sud nenaplní na polovinu objemu. Poté se asi 40 litrů hotového produktu scedí, ke zbytku se přidá filtrované víno a cyklus se opakuje. Celý cyklus trvá týden až měsíc, ale produkt je tak kvalitní, že se tato neúčinná metoda stále používá ve vinařských oblastech Francie.

Spolu s orleánskou metodou existovala metoda popsaná německým vědcem Boerhavem v roce 1732. Nyní je tato technologie známá jako Schutzenbachova metoda. Její podstata spočívá v tom, že objemem naplněným velkými bukovými hoblinami pečlivě namočenými v octě se procházela tekutina obsahující alkohol (v Burgawově popisu je zmíněn roztok obilného lihu). Tato technologie se ukázala být mnohem produktivnější než metoda Orleans a dodnes se používá po celém světě.

A přesto až do Pasteurovy práce v polovině 30. století nebylo jasné, jak se víno mění v ocet. Pasteur ve svém dlouhém článku „Studie vlastností octa“ („Etude sur le vinaegre“) ukázal, že sterilní roztok alkoholu ve vodě pod širým nebem prakticky neoxiduje a k tvorbě kyseliny octové dochází v důsledku práce octových bakterií. A aby alkohol efektivně oxidoval, je nutné vytvořit v kapalině optimální podmínky pro jejich vývoj. Ukázalo se, že tyto mikroorganismy se nejlépe cítí při teplotě kolem 12 o C a při koncentraci alkoholu nepřesahující 14–1 %. Další (nyní moderní) studie ukázaly, že maximální rychlosti růstu A.aceti je dosaženo při nižší koncentraci alkoholu. Charakteristickým znakem těchto bakterií je jejich vysoká spotřeba kyslíku. Dlouhou dobu se věřilo, že kvůli relativně nízké rozpustnosti kyslíku ve vodě (a také v roztoku ethylalkoholu) se bakterie mohou vyvíjet pouze na povrchu kapaliny nebo v jejím tenkém filmu. To nebylo v rozporu s průmyslovými zkušenostmi dostupnými v té době. U metody Orleans se bakterie vyvíjejí především v horní vrstvě kapaliny ve formě slizového filmu a u metody Schutzenbach kapalina stéká v tenké vrstvě po povrchu třísek (obr. 2). Produktivita zařízení, buď jedním nebo druhým způsobem, se obvykle pohybuje od 8 do 100 kg 1% kyseliny octové na 3 mXNUMX objemu zařízení za den.

Hlavním zařízením, ve kterém se vyrábí kyselina octová metodou Schutzenbach, je kuželovitá dřevěná káď. Ve vzdálenosti 200-300 mm od hlavního dna je v něm instalována vodorovná perforovaná přepážka. Horní část aparatury je ze 2/3 vyplněna hoblinami, které jsou zavlažovány bakteriálně-živným médiem obsahujícím určité množství kyseliny octové (nejčastěji 6% roztok), etylalkoholu (3-4%) a malé množství amonných a fosfátových solí. Jak roztok teče, bakterie, fixované nebo, jak se nyní říká, imobilizované na hoblinách, oxidují alkohol na kyselinu octovou. Hotový produkt – 9% ocet – se hromadí na dně přístroje. Při procesu oxidace se uvolňuje teplo, které zvyšuje teplotu uvnitř aparátu na 30-35 o C. V důsledku rozdílu teplot vzniká přirozená a poměrně intenzivní konvekce. Vzduch vstupuje do potrubí pod falešným dnem, prochází zařízením a vystupuje v jeho horní části. Tímto způsobem dochází automaticky k provzdušňování potřebnému pro práci bakterií.

Je třeba říci několik slov o hoblinách. Nejde jen o odpad ze zpracování dřeva. Pro nakládání do strojů jsou vhodné pouze bukové hobliny, svinuté do role o průměru 2 až 5 cm a výšce 3 až 6 cm, vážné požadavky jsou kladeny i na dřevo. Musí být zcela bez jakékoli hniloby. Jedním slovem, hobliny na výrobu octa nejsou vůbec levná záležitost.

Do aparatury Schutzenbach se naloží 1-1,5 m3 štěpky. Jeden podnik provozuje desítky takových zařízení. Produktivita zařízení při práci touto metodou je nízká a činí nejvýše 1,5 kg kyseliny octové na 1 m 3 hoblin za den (v přepočtu na 100% kyselinu octovou). V tomto případě výtěžnost octa (z toho, co je teoreticky možné při použití počátečního množství ethylalkoholu) nepřesahuje 75%. Proces se provádí nepřetržitě, po celá desetiletí, bez výměny bakterií nebo třísek. Vysoká kyselost roztoku nalévaného do přístroje je nezbytná k tomu, aby přístroj nemohly „osídlit“ jiné bakterie a tím produkt znehodnotit. To umožňuje vyrábět ocet bez zachování sterility. Jediným společníkem octových bakterií v tomto procesu jsou drobní háďátka – černé tečky. Živí se bakteriemi a také snadno snášejí vysoké koncentrace kyseliny octové. Ocet se z nich po pasterizaci zbaví filtrací, následkem čehož odumírají a vysrážejí se.

V současné době naprostá většina podniků vyrábí ocet pomocí cirkulační metody Frings. Tato technologie má mnoho společného se Schutzenbachovou metodou. Zde se také používají přístroje plněné hoblinami, na hoblinách jsou imobilizovány bakterie octového kvašení a hmota hoblin je také zavlažována živným roztokem obsahujícím alkohol, kyselinu octovou a minerální soli. Mezi těmito metodami jsou však značné rozdíly. V první řadě se to týká velikosti zařízení. U některých podniků dosahuje objem jejich pracovní komory naplněné hoblinami 60 m 3 . Do takového zařízení (obr. 2) je speciálním distribučním systémem přiváděn 10% roztok alkoholu několikanásobně vyšší rychlostí než u Schutzenbachovy metody. Pomocí čerpadla roztok opakovaně cirkuluje aparaturou, dokud není veškerý alkohol zoxidován a nevznikne 9% roztok kyseliny. Při tomto procesu se ztratí asi 10 % původního čistého alkoholu. Cyklus trvá 5-6 dní, poté se opakuje.

U velkoobjemových zařízení je uvolňování tepla tak výrazné, že do nich musí být zabudovány speciální výměníky tepla. Nejčastěji jsou v pracovní komoře umístěny výměníky, kterými cirkuluje chladicí voda, někdy je však nutné instalovat další, tzv. vzdálené výměníky tepla, které se instalují mimo aparaturu v cirkulačním okruhu.

Při výrobě octa cirkulační metodou dosahuje měrná produktivita 6-8 kg kyseliny za den na 1 m 3 pracovního objemu zařízení.

Tato metoda však měla také významné nevýhody, z nichž hlavní byla možná velikost zařízení. Počátkem šedesátých let dvacátého století se objevila technologie, kdy se octové bakterie začaly kultivovat ve speciálních zařízeních – fermentorech v kapalině – tzv. metoda periodické hluboké kultivace.

Fermentory pro hloubkovou kultivaci octových bakterií jsou nádoby vyrobené z nerezové oceli, uvnitř kterých jsou umístěna míchací zařízení a provzdušňovače různých provedení (obr. 3).

Proces výroby octa pomocí periodické hluboké metody je následující. Z předchozího cyklu zůstává v aparátu kapalina (cca 1/3 pracovního objemu aparátu), která slouží jako zárodečný materiál pro další cyklus. Živná směs obsahující kyselinu octovou a ethanol se nalije do zařízení na pracovní objem. Míchací zařízení intenzivně promíchává kapalinu a vzduch je nepřetržitě přiváděn přes provzdušňovač. Na začátku cyklu se životní podmínky bakterií dramaticky mění a v důsledku toho není po určitou dobu pozorován jejich znatelný růst; tato fáze vývoje mikroorganismů se nazývá lag fáze. Na konci lag fáze se koncentrace alkoholu začíná snižovat a koncentrace kyseliny naopak stoupá. Po nějakou dobu musíte do zařízení po částech přidávat alkoholový roztok. Poté, co koncentrace octa dosáhne 9-10 %, se jako hotový produkt odstraní asi 2/3 objemu kapaliny a cyklus se opakuje.

Produktivita hloubkových zařízení je několikanásobně vyšší a sama o sobě jsou několikanásobně menší než zařízení naplněná hoblinami, dochází v nich k podstatně menším ztrátám etanolu. Navíc není potřeba používat dřevěné hobliny. Je také důležité, že s hloubkovou metodou se zvyšuje kultura produkce.

Počátkem 70. let minulého století skupina zaměstnanců z oddělení „Stroje a přístroje pro mikrobiologickou výrobu“ Moskevského institutu chemického inženýrství (nyní Moskevská státní univerzita environmentálního inženýrství), vedená profesorem Petrem Ivanovičem Nikolajevem, měl myšlenku zkombinovat mikrobiologické metody s technikami v průmyslovém měřítku a zavést a provádět procesy dobře zavedené v chemické technologii. K tomu bylo nutné provést celou řadu seriózních studií. To je paradox: proces je znám nejméně dvě a půl tisíciletí, ale až do poloviny dvacátého století zůstal převážně empirický. Až do této chvíle se technologická vylepšení týkala především konstrukce zařízení a mikrobiologické aspekty byly vyvinuty velmi špatně.

V 60. letech se začaly objevovat práce o fyziologii a biochemii octových bakterií. Byly zaměřeny na studium vlivu koncentrace kyslíku a složení živného média, včetně minerálního pozadí a vlivu samotného ethanolu a kyseliny octové. Současně na katedře mikrobiologie Leningradské univerzity pod vedením profesora M. S. Loitsyanskaya probíhaly studie systematiky, morfologie a fyziologie těchto bakterií. Byly izolovány kmeny bakterií, které rostou ve velmi jednoduchém médiu s vysokou oxidační aktivitou, což se ukázalo jako extrémně užitečné pro průmyslovou výrobu octa.

Optimální teplota pro růst Acetobacter aceti je 25-30 o C. Bakterie kyseliny octové využívají jako zdroj dusíku minerální soli, nejlépe amonné. Acetobacters samy syntetizují všechny potřebné vitamíny, a proto rostou v živných médiích bez jejich přídavku.

Nejlepší uhlíkatou sloučeninou pro bakterie rodu Acetobacter je kyselina octová. Dobře rostou také v médiích obsahujících ethylalkohol nebo kyselinu mléčnou, čímž je přeměňují na kyselinu octovou.

Výzkum Yu.L. Ignatova ukázal, že kyselina octová nahromaděná v procesu snižuje oxidační aktivitu bakterií a snižuje specifickou rychlost buněčného růstu. Tato skutečnost umožnila P.I. Nikolaevovi a jeho kolegům organizovat proces výroby kyseliny octové v baterii několika zařízení pomocí hloubkové metody v kontinuálním režimu. Výsledkem bylo originální technologické schéma, kdy proces výroby 9% kyseliny octové probíhá ve čtyřech až pěti fermentorech zapojených do série (obr. 4). V takové baterii se v prvních dvou zařízeních podél dráhy kapaliny při relativně nízké koncentraci kyseliny octové množí bakterie vysokou rychlostí s vysokou oxidační aktivitou, což zajišťuje vysokou produktivitu procesu. V posledních zařízeních na dráze kapaliny, pracujících naopak při vysokých koncentracích kyseliny octové, produktivita klesá, v nich se převážně oxiduje zbývající alkohol v roztoku. Celkový výkon všech bateriových zařízení je výrazně vyšší než u těch, které vyrábějí ocet v 9% koncentraci. Yu.L. Ignatov ukázal, že produktivita jednotky pracovního objemu zařízení pracujícího pomocí bateriové metody může dosáhnout 49,4 kg kyseliny octové na 1 m 3 za den.

Vyvinutá metoda byla překvapivě rychle implementována v několika továrnách. Nyní tuto technologii využívá Experimentální potravinářský závod v Balašikha, octové dílny ve městech Gorlovka a Dněprodzeržinsk na Ukrajině a závod na Slovensku.

Kandidátka biologických věd N. KUSTOVA, docentka Moskevské státní univerzity environmentálního inženýrství. Podrobnosti pro zvědavce

Stručná informace o chemii oxidace ethanolu na kyselinu octovou Acetobacter aceti

Konečná reakce oxidace ethylalkoholu na kyselinu octovou je následující:

C2H5OH CH3COOH + H2 + Q

Podle moderních koncepcí je oxidace ethylalkoholu octovými bakteriemi druhu Acetobacter aceti dvoufázový proces. Ethanol je oxidován alkoholem a aldehyddehydrogenázami za vzniku kyseliny octové a dvou molekul NADH 2. (Tento enzym je zodpovědný za přenos vodíku v dýchacím řetězci.)

Alkoholdehydrogenáza z Acetobacter aceti obsahuje nedávno objevenou prostetickou skupinu methoxanthin neboli pyrrolochinolinchinon. Tento enzym se nachází na vnější straně plazmatické membrány a katalyzuje oxidaci ethanolu na kyselinu octovou. Methoxanthin částečně vstupuje do živného média a potravinářského octa, což mu dává mírně nažloutlou barvu.