OKSIDATIVNE FERMENTACIJE

Oksidativne fermentacije se obavljaju pod aerobnim uslovima, u prisustvu kiseonika. Sa tehnološkog stanovišta oksidativne fermentacije zahtevaju intenzivnu aeraciju i energično mešanje supstrata.

Energetski gledano u ovim fermetacijama se oslobađa pet puta više energije nego u anaerobnim fermentacijama. Najnačajnije oksidativne fermentacije su sirćetna, limunska, oksalna i fumarna.

Sirćetna fermentacija

Sirće (ocat), je produkt životnog procesa mikroorganizama — sirćetnih bakterija. Sirćetno vrenje — oksidacija etil-alkohola u sirćetnu kiselinu — odvija se u unutrašnjosti sirćetnih bakterija. Rastvor etil-alkohola, ugljeni hidrati, azot i fosforna jedinjenja prolaze kroz opnu u citoplazmu sirćetnih bakterija i, pod uticajem enzima alkohol-oksidaze, etil-alkohol se oksidiše u sirćetnu kiselinu, koja kroz opnu sirćetnih bakterija izlazi. Praktično, ovo je pojava izmene materija posredstvom dejstva mikroorganizama.

Hemijske formule ovog procesa su:

2 CH3CH2OH + O2= 2 CH3COH + 2 H2O, 2 CH3COH + О2 = 2 СН3СООН.

Prikazani proces izgleda veoma jednostavno, medutim, on je mnogo

komplikovaniji, ali je eksperimentalno dokazano da se odvija uz stvaranje acetaldehida kao međuprodukta. U toku sirćetnog vrenja može doći i do daljnje oksidacije već stvorene sirćetne kiseline. Rezultat te superoksidacije je razlaganje sirćetne kiseline na О2 i vodu, što ukazuje na opasnost smanjenog iskorišćavanja sirovina, kоја može da se dogodi u praksi. Ova pojava nastaje tek ako se smanji količina etil-alkohola u rastvoru:

CH3COOH + 2 02 = 2 CO2 + 2 H2O

Sirćetno vrenje je aerobni proces za koji je neophodan kiseonik. Taj proces mora

biti tako vođen tako da se postigne što je moguće veći učinak oksidacije etil-alkohola. Postoji veliki broj sirćetnih bakterija različitih svojstava. Za praktičnu primenu odgovaraju samo oni sojevi koje podnose visoku koncentraciju etil-alkohola i sirćetne kiseline, kao i više temperature, zatim koje se pri optimalnim uslovima brzo razmožavaju i koje omogućavaju brzo odvijanje procesa oksidacije etil-alkohola u sirćetnu kiselinu. Takve sirćetne bakterije se ubrajaju u »kulturne«, za razliku od ostalih, tzv. »divljih sojeva«, koji ne ispunjavaju te uslove. Jačina proizvedenog sirćeta, tj. sadržaj sirćetne kiseline zavisi od koncentracije etil-alkohola u sirovini koja je podvrgnuta procesu sirćetnog vrenja.

Praksa je pokazala da je sadržina od 15% etil-alkohola najveća koncentracija koju sirćetne bakterijemogu podneti, i to samo neke. U većim koncentracijama one uginu. U praksi se upotrebljavaju alkoholni rastvori različitih koncentracija, ali za veće koncentracije neophodno je postupno prilagođavanje sirćetnih bakterija na rastvore sa

višim sadržajem etil-alkohola. Osim toga, svaka vrsta sirćetnih bakterija ima svoj toplotni minimum ispod koga se ne može razvijati, a isto tako i toplotni maksimum koji sprečava dalje razmnožavanje. Minimum za sve sirćetne bakterije leži izmedu 6°—10°C, a optimum izmedu 19°—34°C, prema vrsti bakterija. Za industrijsku proizvodnju sirćeta pogodnije su sirćetne bakterije sa visokim temperaturnim optimumom, jer omogućavaju dobar rad uređaja većeg kapaciteta, tj. oksidaciju etil-alkohola i u centralnim delovima uređaja gde su temperature više. Kratko zagrevanje sirćetnih bakterija na temperaturama od 48° do 50°C dovoljno je da se one potpuno unište.

U proizvodnji sirćeta upotrebljavaju se različite sirovine koje sadrže etil-alkohol (vino, voćno vino, pivo i dr.), kao i sam etil-alkohol. U prometu se nalazi vinsko, voćno i alkoholno sirće. Te vrste sirćeta imaju miris i ukus svojstven sirovinama od kojih je sirće proizvedeno. Pored sirćetne kiseline, one sadrže i ekstraktivne materije, uglavnom ugljene hidrate, belančevine, soli i dr (već prema vrsti upotrebljene sirovine). U vinskom sirćeru nalazi se i celokupni ekstrakt vina, a sirće dobiveno od piva sadrži i ekstraktivne materije koje potiču od slada i hmelja. Etanol i viši alkoholi sadržani u osnovnoj sirovini stvaraju sa sirćetnom kiselinom odgovarajuće estre koji su ugodnog mirisa i čine “buke” karakterističan za pojedine vrste sirćeta. Sadržaj sirćetne kiseline u raznim vrstama sirćeta kreće se između 4 i 10%.

Sirće se u starom i srednjem veku proizvodilo samo za domaću upotrebu, najviše od vina. Kasnije se od domaće proizvodnje razvila zanatska proizvodnja za tržište, a posle ove prešlo se na industrijsku. Razvojni put proizvodnje sirćeta od najstarijih vremena do savremenih procesa obuhvata velik broj postupaka i varijanti, koje se razlikuju po načinu izvođenja i po vrstama polaznog materijala. Do XVIII veka proizvodilo se samo sirće od vina, piva i drugih alkoholnih tečnosti po starom, orleanskom, Pasterovom i drugim primitivnim postupcima koji su, pored spore proizvodnje i drugih nedostataka, imali i neke odlike u pogledu kvaliteta. Pri sporom odvijanju procesa i nižim temperaturama manji su i gubici aromatskih materija, bukea.

Za sve pomenute procese, osim submerznog, karakteristično je da se odvijaju na površini alkoholne tečnosti pa, prema tome, od veličine površine zavisi efekat proizvodnje sirćeta. Naime, aerobni uslovi neophodni za životne funkcije sirćetnih bakterija, odnosno za sirćetno vrenje, ostvaruju se na površini alkoholne tečnosti do koje dolazi vazduh. Stoga se, sa povećanjem oksidacione površine, ubrzava, odnosno povećava proizvodnja sirćeta. Za povećanje oksidacione površine primenjuju se različiti materijali.

Procesi proizvodnje sirćeta Karakteristični postupci proizvodnje sirćeta su: a) Stari, b) Orleanski, c) Pasteur-ov, d) Boerhaave-ov, e) Brzi, f) Frings-ov, g) Submerzni.

Stari način proizvodnje sirćeta je dugotrajan proces, a služi za dobijanje vinskog sirćeta sa 3—5% sirćetne kiseline. U mnogim vinogradarskim krajevima i danas se vinsko sirće proizvodi na ovaj primitivan način. Najčešće se vino ostavlja u bačvama na suncu ili na pogodnom toplom mestu. Proces se odvija polako i može se dobiti kvalitetno sirće, a iskorišćenje se kreće od 40 do 50%. Nešto bolji rezultati postižu se zagrevanjem do ključanja jednog dela vina koje se dodaje ostatku vina i time se stvaraju povoljniji uslovi u kojima se sirćetne bakterije aktiviraju i proces sirćetnog vrenja ubrzava. Suština procesa je u tome da se na mirnoj površini vina stvori pokožica sirćetnih bakterija,

Orleanski način („francuski način“) uveden je u okolini Orlèansa i sastoji se u

laganom toku sirćetnog vrenja u vinskoj buradi smeštenoj u toplim prostorijama radi održavanja komine na temperaturi od oko 240C. Dobar kvalitet sirćeta i iskorišćenje do 80% zavise od kvaliteta vina i uslova proizvodnje. Koristi se razblaženo vino (10%). Mikroorganizmi koji se koriste su Acetobacter orleanensis i Acetobacter xylinoides. Postupak se odvija u posebnim buradima (slika) kroz čiji se vranj spušta dugačak levak za dolivanje vina i prolaz kiseonika. Burad se pune do oko 2/5 kvalitetnim sirćetom i sa 3/5 razblaženim vinom i to tako da su burići otprazni 1/3 zapremine. Proces treba voditi tako da ostane dovoljna količina neprerađenog etil-alkohola, što omogućava naknadne procese esterifikacije, pri čemu nastaju estri koji daju aromu sirćetu (sirće je vrlo aromatično i prijatnog je ukusa),

Pasterov način, proučavajući orleanski način Paster je otkrio njegove nedostatke i

uveo postupak sa pasterizovanim vinom i čistim kulturama sirćetnih bakterija, a umesto buradi uzeo je plitke posude koje su poređane stepenasto. Ukazujući na ulogu pokožice sirćetnih bakterija i na to da ona ne sme da potone, pošto se na njezinoj površini oksidiše etil-alkohol u sirćetnu kiselinu, otklonjeni su nedostaci prethodnih postupaka. Ovaj postupak je tehnički doteraniji, vrenje nije prepušteno slučaju, a gotovi proizvodi su kvalitetniji,

Orleanski postupak proizvodnje sirćeta

M – drveno bure, L-vino koje se kiseli, O-otvor, F-levak, N-vino.

Boerhaave-ov način bazira se na znatnim izmenama kako posuda tako i samog vođenja procesa sirćetnog vrenja. Uvođenjem posuda punjenih rastresitim materijalima i povremenim prevođenjem komine iz jedne u drugu posudu ubrzan je proces, a postižu se i znatno bolji učinci nego kod orleanskog i Pasterovog načina. I pored toga, proces je dug.

Schiitzenbach-ov brzi postupak je pogodan za korišćenje sirovina sa manjim

sadržajem ekstraktivnih materija, pa se uglavnom upotrebljava za proizvodnju sirćeta iz razređenog rastvora etil-alkohola (10% špiritus). Medutim, vina sadrže dosta ekstraktivnih materija, pa se čisto vinsko sirće ne može na taj način proizvoditi, jer se u posudama stvara sluz. Eventualno se može koristiti mešavina vina i etil-alkohola. Posude se pune “šuškama” od bukovog drveta radi povećanja oksidacione površine. Na 1 m3 zapremine posude stavlja se oko 200 kg bukovih šuški. Posude su drvene i u obliku su zarubljene kupe. Kad se radi u jednoj posudi, može se dobiti 8—10% sirće, a sirće sa 10—12% sirćetne kiseline dobija se radom u 2 ili više posuda. Naizmenično cirkuliraju povratno - novonastalo - sirće i alkoholna komina. Pri normalnom radu tim načinom postiže se učinak, odnosno prerada od 2,5 1 100% etil-alkohola po 1 m3 oksidacionog prostora,

Fringsov sistem (“nemački način”) ima kao osnovne karakteristike veliki kapacitet,

neprekidnost u radu i brzinu, kao i mogućnost promene tempa proizvodnje. U praksi se primenjuju 2 osnovna tipa aparata tog sistema: poluautomati sa dnevnom preradom od 25 do 100 1 100% etil-alkohola i potpuni automati većih kapaciteta.

Frings-ov generator

Za normalno odvijanje procesa proizvodnje sirćeta u aparatima (slika) neophodna je prethodna priprema (kao i kod Schiitzenbach-ovog postupka), koja se sastoji u tzv. zakišeljavanju. U tu svrhu uzima se najkvalitetnije sveže proizvedeno sirće sa kojim se praktično unose bakterije sirćetnog vrenja neophodne za dobar rad (Acetomonas schutzenbachi i Acetomonas curvum). Priprema se sastoji u cirkulaciji

sirćeta preko bukovih šuški u toku 8—10 dana. Proces proizvodnje sastoji se u neprekidnoj cirkulaciji alkoholne komine koja se pumpom ubacuje u aparat. Sastav komine zavisi od vrste sirćeta koje se proizvodi.

Za proizvodnju tzv. alkoholnog sirćeta sa 10% sirćetne kiseline služi komina sa oko 11 vol.% etil-alkohola. Preko kružnog raspodeljivača, koji se nalazi iznad prostora sa bukovim spiralama, komina se stalno preliva, a u suprotnom pravcu ventilatorom se potiskuje vazduh. Količina protoka komine i vazduha reguliše se na osnovu stanja procesa i temperaturnog režima, a održavanje optimalnih temperatura, cirkulacijom i hlađenjem komine. Kod poluautomatskih aparata, količina protoka komine i vazduha, kao i hlađenje, regulišu se ručno na osnovu iskustva, a kod automata hlađenje se reguliše kontaktnim termometrima preko kojih se reguliše i protok komine, i to automatski u skladu sa odvijanjem procesa. Pored navedenih prednosti, pri normalnom radu automatskog uredaja preradi se 5 1itara 100% etil-alkohola po 1 m3 oksidacionog prostora, dok pri poluautomatskom uredaju učinak varira najčešće između 2,5 i 5 1itara. Ovaj postupak je dobar samo za dobijanje sirćetne kiseline, ali ne i vinskog sirćeta, jer bi se bakterije brzo namnožile i zatvorile prolaze koji su neophodni za prolaz kiseonika i špiritusa preko šuški.

Navedeni brzi postupci služe samo za proizvodnju alkoholnog sirćeta.

Submerzni postupci (“submerzna fermentacija”) odlikuju se velikom brzinom toka sirćetnog vrenja u tzv. “acetatorima” (slika). Najpoznatiji je Fringsov acetator u kome se za 24 h može prevesti oko 600 l alkohola. Pri tim postupcima ne povećava se oksidaciona površina i njima se mogu proizvoditi sve vrste sirćeta, što se nije moglo postići ranijim sistemima. Sirćetne bakterije ne mogu uzimati kiseonik iz gasne faze vazduha, pa je osnovni zahtev ovih postupaka da se kroz alkoholni rastvor provodi dobro raspršeni vazduh da bi se vazdušni kiseonik rastvorio. Ovde se po 1 m3 može oksidisati i po 20 1 100% etanola za 24 časova. Zbog velike osetljivosti bakterija na prekid dovoda kiseonika, uz acetator je potreban i generator za proizvodnju električne energije.

Frings acetator za submerznu sirćetnu fermentaciju

Kvalitet sirćeta zavisi od kvaliteta i vrste sirovina, ali i od načina i uslova

proizvodnje. Najbolja sirovina je vino i prevreli jabučni sok. Sirće od meda ima visoki kvalitet.Tako se, npr., brzom oksidacijom vina u automatskim aparatima isparljive materije gube, a dobiveno vinsko sirće sadrži manje sastojaka bukea. Obično je tako do-biveno sirće i svetlije boje, međutim, na tržištu se traži crveno vinsko sirće, što znači da za proizvodnju treba upotrebiti ružičasta, pa i crna vina, jer propisi ne dozvoljavaju naknadno bojenje. Submerznim postupcima u acetatorima dobija se vinsko sirće koje po kvalitetu ne zaostaje od dobrog vinskog sirćeta proizvedenog klasičnim postupcima u mirnoj komini.

Kvalitet voćnog sirćeta ne zaostaje od kvaliteta vinskog sirćeta, ako se proizvodi u acetatorima submerznim postupkom. Sve vrste sirćeta, proizvedene sirćetnim vrenjem, pored sirćetne kiseline i odgovarajućeg ekstrakta sadrže i izvesne količine aminokiselina koje su korisne u ljudskoj ishrani.

Na kraju napomenimo da u sirću ne sme biti prisutna sirćetna zmijuljica Anguilla aceti (slika) kao ni vinska mušica Drosophyla melanogaster.

Zmijuljica (Anguillula aceti = Turbatrix aceti) ( Makrofotografija zmijuljice - levo, koja se u sirćetu može javiti u masi, posebno u sirćeranama gde su sanitarni uslovi neadekvatni - desno),