ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΖΥΜΩΣΗ ΜΕΛΑΣΣΑΣ Προχωρημένο Εργαστήριο Τροφίμων Τμήμα Χημείας, Παν/μιο Ιωαννίνων Πιπερίδη Χριστίνα, MSc. Χημικός Ιωάννινα, 2014

Ως μελάσσα χαρακτηρίζεται στη ζαχαροτεχνολογία το τελευταίο μητρικό σιρόπι που λαμβάνεται ως κατάλοιπο μετά από μία σειρά κρυσταλλώσεων κατά την παραγωγή της ζάχαρης. Είναι υγρό καστανόμαυρου χρώματος, υψηλού ιξώδους, που περιέχει σημαντική ποσότητα σακχαρόζης (48-54%). Διακρίνεται σε μελάσσα από ζαχαρότευτλα (sugarbeet molasses) και μελάσσα από ζαχαροκάλαμο (sugarcane molasses).

Η σύσταση της μελάσσας διαφέρει ανάλογα με την ποιότητα των τεύτλων και την παραγωγική διαδικασία. Γενικά περιέχει περίπου 20% υγρασία και 80% στερεά συστατικά, από τα οποία περίπου 50% σακχαρόζη και 30% άλλα συστατικά, όπως αζωτούχες ύλες, άλλοι υδατάνθρακες εκτός από τη σακχαρόζη, οργανικά οξέα και τέφρα.

Αζωτούχες ενώσεις: Βεταΐνη και αμινοξέα (γλουταμινικό, ασπαραγινικό οξύ, λευκίνη, ισολευκίνη, γλυκίνη και αλλανίνη).   Οργανικά οξέα: οξαλικό, κιτρικό, μηλικό, γαλακτικό, γλυκολικό, μυρμηκικό, οξικό, προπιονικό και βουτυρικό.   Υδατάνθρακες: εκτός της σακχαρόζης απαντούν η γλυκόζη, η φρουκτόζη και η ραφινόζη.   Ανόργανα κατιόντα: κάλιο, νάτριο, ασβέστιο και μαγνήσιο. Ανόργανα ανιόντα: χλώριο, θειικά, φωσφορικά και νιτρικά.

Η μελάσσα δεν χρησιμοποιείται ως τρόφιμο αλλά για την παραγωγή οινοπνεύματος, ζύμης αρτοποιίας, κτηνοτροφικής ζύμης (ζύμης Torula), κιτρικού οξέος, γαλακτικού οξέος, γλυκερίνης και γλουταμινικού οξέος. Η σακχαρόζη της μελάσσας, που χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για παραγωγή οινοπνεύματος, υδρολύεται προς μονοσάκχαρα (ιμβερτοσάκχαρο, δηλ. ισομοριακό μίγμα γλυκόζης και φρουκτόζης) κατά την αρχή της αλκοολικής ζύμωσης με δράση της ιμβερτάσης σε βέλτιστο pH=4,7. Η υδρόλυση γίνεται σε δύο στάδια: Αρχικά η α-αμυλάση διασπά το άμυλο προς δεξτρίνες και στη συνέχεια προς μαλτόζη (δισακχαρίτης) που διασπάται από τη μαλτάση (ένζυμο που παράγεται από τη ζύμη) προς γλυκόζη.

Η ζύμωση πραγματοποιείται με τη βοήθεια μικροοργανισμών κυρίως του γένους Saccharomyces, οι οποίοι παράγουν τα απαραίτητα ένζυμα για την κατάλυση των αντιδράσεων που οδηγούν στο μεταβολισμό της γλυκόζης σε αιθανόλη. Η μετατροπή αυτή των σακχάρων σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα δίνεται συνοπτικά ως εξής: C6H12O6  2C2H5OH + 2 CO2 + ενέργεια (ΑΤΡ) Η αλκοολική ζύμωση είναι αναερόβια διαδικασία. Τα κύτταρα των ζυμομυκήτων προσλαμβάνουν τα απλά σάκχαρα, τα οποία παρουσία των αναγωγικών ενζύμων, μετατρέπονται και παράγουν αιθανόλη, διοξείδιο του άνθρακα και ορισμένο ποσό ενέργειας υπό μορφή ΑΤΡ.

Εκτός από τα τελικά προϊόντα σχηματίζεται μία σειρά άλλων προϊόντων (παραπροϊόντα) σε μεγαλύτερες ή μικρότερες ποσότητες που επηρεάζουν την ποιότητα του οινοπνεύματος. Τα πρωτεύοντα δηλ. ενδιάμεσα προϊόντα της αλκοολικής ζύμωσης, ή εκείνα που σχηματίζονται από τα πρωτεύοντα μέσω βιοχημικών αντιδράσεων όπως οξείδωση και αναγωγή. Επίσης σε αυτή την κατηγορία κατατάσσονται και τα ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου του κιτρικού οξέος. Στα πρωτεύοντα προϊόντα ανήκουν τα: πυροσταφυλικό οξύ, ακεταλδεΰδη, 2-κετογλουταρικό, γαλακτικό, οξικό, ηλεκτρικό, κιτρικό οξύ και γλυκερίνη. Τα δευτερεύοντα παραπροϊόντα είναι εκείνα που έχουν πολύπλοκο τρόπο σχηματισμού. Π.χ. 2,3-βουτανοδιόλη, ακετοΐνη, διακετύλιο, ανώτερες αλκοόλες, μεθανόλη, γαλακτουρονικό οξύ, εστέρες, αλδεΰδες και κετόνες.

ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΙΝΟΠΝΕΥΜΑΤΟΣ Στην Ελλάδα η παραγωγή οινοπνεύματος γίνεται κύρια με πρώτες ύλες τη σταφίδα και τη μελάσσα, ενώ μερικές φορές χρησιμοποιείται εισαγόμενη μελάσσα από ζαχαροκάλαμο ή σχετικά μικρές ποσότητες ξερών σύκων εγχώριας παραγωγής.

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΙΝΟΠΝΕΥΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΜΕΛΑΣΣΑ Μια βιομηχανική εγκατάσταση παραγωγής οινοπνεύματος από μελάσσα διαφέρει από την αντίστοιχη που χρησιμοποιεί σταφίδα στα εξής:  δεν χρειάζεται την εγκατάσταση εκχύλισης. Κατά συνέπεια η εγκατάσταση παραγωγής οινοπνεύματος από σταφίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για παραγωγή οινοπνεύματος από μελάσσα.  το pH στην περίπτωση της μελάσσας ρυθμίζεται στην τιμή 4,7.  στα σακχαρούχα διαλύματα προστίθενται φωσφορικά άλατα του αμμωνίου.  η πυκνότητα των εκχυλισμάτων που προορίζονται για ζύμωση ανέρχεται σε 9,5-10 Bé σε σχέση με την περίπτωση της σταφίδας όπου το Bé ρυθμίζεται στην τιμή 7. (1 βαθμός Bé ισοδυναμεί με 15-17 g γλυκόζης/L).

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

1. Αλκοολική ζύμωση μελάσσας  Προετοιμάζονται μελασσούχα υγρά πυκνότητας 9,5-10 Βé όγκου 400-450 ml σε θερμοκρασία 30οC με αραίωση ορισμένης ποσότητας μελάσσας με απεσταγμένο νερό (περίπου 1+4).  Ψύχονται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.  Ρυθμίζεται το pH στην τιμή 4,7 με προσθήκη πυκνού θειικού οξέος.  Προστίθενται θρεπτικά υλικά (NH4H2PO4) σε ποσότητα 0,3 g/L.  Μετά τη θερμοστάτηση στους 30οC προστίθεται η ζύμη Saccharomyces cerevisiae σε ποσότητα 20 g/L.

Μετά το ξεκίνημα της ζύμωσης προστίθενται λίγες σταγόνες ελαϊκού οξέος ως αντιαφριστικό.  Το μίγμα αφήνεται για ζύμωση η οποία διαρκεί τουλάχιστον 12 ώρες. Για να μελετηθεί η πορεία της αλκοολικής ζύμωσης παίρνονται ανά μία ώρα οι τιμές πυκνότητας του ζακχαρούχου διαλύματος (Βé).

 Όταν ολοκληρωθεί η ζύμωση η πυκνότητα του γλεύκους είναι ~ 2,5 Βé  Όταν ολοκληρωθεί η ζύμωση η πυκνότητα του γλεύκους είναι ~ 2,5 Βé.  Το τέλος της ζύμωσης διαπιστώνεται από το αμετάβλητο των βαθμών Βé και την ακινησία του ζυμούμενου γλεύκους.  Επίσης γίνεται γραφική παράσταση του βαθμών Βé συναρτήσει του χρόνου.

2. Μέτρηση παραγωγής βιομάζας κατά τη διάρκεια της ζύμωσης  Ανά 1 ώρα λαμβάνεται δείγμα 0,5 ml (μετά από καλή ανάδευση του ζυμούμενου γλεύκους) και αραιώνεται με νερό στα 20 ml σε αντίστοιχη ογκομετρική φιάλη.

 Μετριέται η απορρόφηση στα 700 nm (ως τυφλό Η2Ο).

 Γίνεται η γραφική παράσταση της συγκέντρωσης των κυττάρων συναρτήσει του χρόνου με τη βοήθεια πρότυπης καμπύλης συγκεντρώσεων 0,4 έως 2g/L ζύμης S. cerevisiae και Abs.  Για την πρότυπη καμπύλη προετοιμάζεται αραίωμα 0,2 g/100 mL ζύμης αρτοποιίας και στη συνέχεια προετοιμάζονται σε ογκομετρικές φιάλες των 10mL συγκεντρώσεις ζύμης 0,4/0,6/0,8/1,0/1,2/1,4/1,6 και 1,8 g/L.  Μετριέται η απορρόφηση στα 700 nm (ως τυφλό Η2Ο) των παραπάνω προτύπων διαλυμάτων ζύμης και σχηματίζεται η πρότυπη καμπύλη Abs συναρτήσει της συγκέντρωσης του ζυμομύκητα.

 Με τη βοήθεια της πρότυπης καμπύλης υπολογίζεται η συγκέντρωση των δειγμάτων που έχουν ληφθεί από το ζυμούμενο γλεύκος.  Μετά το τέλος της ζύμωσης η διαφορά της τελικής και αρχικής συγκέντρωσης του μύκητα δίνει το ποσό της ζύμης που παράγεται αναπόφευκτα κατά τη διάρκεια της αλκοολικής ζύμωσης. Π.χ. Abs αρχικού = 0,99 1,1546 g/L. Abs τελικού = 1,25 1,3929 g/L. Τελική συγκέντρωση – αρχική συγκέντρωση = 1,3929 – 1,1546 = 0,2383 g/L. y=0,8793x-0,0252 y=0,8793x-0,0252