Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важнейших направлений биотехнологии является создание прогрессивных способов подготовки крахмал- и сахаросодержащего сырья к процессам их биоконверсии. Традиционно подготовку таких видов сырья проводят тепловым способом, для которого с повышением температуры и длительности термообработки эффективность процессов деструкции биополимерных составляющих сырья и деконтаминации субстратов возрастают, но сопровождаются ускорением нежелательных процессов термодеструкции низкомолекулярных и термолабильных его компонентов. С целью умягчения режимов термообработки в настоящее время проводится активный поиск альтернативных физико-химических и биологических методов предобработки таких видов сырья. Результативность этих методов в сильной степени зависит от резистентности веществ сырья к этим факторам деградации. Поэтому в условиях сниженного уровня тепловой и/или ферментативной нагрузки на эти вещества, факторам, приводящим к повышению их термической и энзиматической чувствительности должно уделяться особое внимание.
Было замечено, что термо, хемо- и энзимоустойчивость крахмалсодержащего сырья возрастает с повышением содержания в нем ионов двух- и трехвалентных металлов (Ca2+,Mg2+,Fe3+,Al +). С другой стороны, структурная целостность этого вида сырья определяется не только силами ионного взаимодействия, но и водородными связями.
В другом виде сырья - свекловичной мелассе - такие металлы как Ca2+,Fe3* и А13+,находясь в связанном состоянии с ее органическими (аминокислоты, витамины, жирные кислоты) и неорганическими компонентами (источники азота, фосфора, магния) питательных сред, снижают их биоусвояемость.
Учитывая множественный характер взаимодействий в исследуемых видах биоконверсируемого сырья, следует полагать, что эффективный их перевод в биоконверсируемый субстрат возможен только в результате комплексного воздействия на него механических, тепловых, химических и биологических факторов деструкции.
На основании вышеизложенного, представляется актуальным выявление основных факторов, определяющих эффективность процессов деградации, деконтаминации и биоконверсии исследуемых видов сырья с созданием ресурсо- и энергосберегающих промышленных технологий производства пищевого спирта, хлебопекарных дрожжей и лимонной кислоты.
Показано, что использование деминерализирующих и гидратирующих химических агентов способствовало процессам деградации крахмал - и сахаросодержащего сырья с повышением биодоступности, получаемых на их основе, субстратов. Эти агенты интенсифицировали процессы биоконверсии
этих субстратов, а получаемые при этом продукты должны иметь улучшенные потребительские характеристики.
В качестве таких химических агентов были выбраны комплексоны с
ярко выраженными гидратирующими и металлосвязывающими свойствами,
например, некоторые соли полифосфорных кислот (СПФК) общей формулы
НО-[РОзХ]п-Р03Х2, где Х-щелочной металл, водород, ион аммония или
алифатический органический радикал, п>1, а также комплексоны с
выраженными металлхелатирующими свойствами - натриевые соли
оксиэтилидендифосфоновой кислоты (ОЭДФн) и
этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТАн).
Цель работы состояла в создании научно-практических основ использования комплексонов в процессах деградации и биоконверсии крахмал- и сахаросодержащего сырья при производстве пищевого спирта, хлебопекарных дрожжей и лимонной кислоты с целью улучшения потребительских свойств этих продуктов производства.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Произведена сравнительная оценка влияния комплексонов на процессы тепловой, химической и энзиматической деструкции крахмал- и сахаросодержащего сырья.
-
Оценено воздействие комплексонов на процессы ферментативного гидролиза составных частей зернового сырья (крахмала, белка, клетчатки и других некрахмалистых полисахаридов).
-
Показано интенсифицирующее воздействие комплексонов на процессы спиртового, лимоннокислого брожения и аэробного дрожжеращения.
-
Показано, что эффективность процессов тепловой и химической деконтаминации питательных субстратов может быть повышена методами их дополнительного гидромеханического и химического диспергирования.
-
Сформулирована концепция метода интенсивной низкотемпературной хемомеханико-ферментативной обработки крахмалсодержащего сырья в ресурсо-и энергосберегающей технологии производства пищевого спирта.
-
Обоснована необходимость использования метода химической деминерализации (диспергирования) органоминеральной компоненты сахаросодержащего сырья (мелассы) при приготовлении питательных субстратов в интенсивных технологиях выращивания хлебопекарных дрожжей и биосинтеза лимонной кислоты.
-
Разработаны новые и модифицированы существующие технологические способы производства пищевого спирта, хлебопекарных дрожжей и лимонной кислоты, с производственным их освоением.
Научная новизна
1. Впервые показано, что связывание металлов в крахмалсодержащем сырье и его гидратация комплексонами (ОЭДФн, ЭДТАн и солями полифосфорных кислот) способствует интенсификации процессов теплового
дезагрегирования, набухания, клейстеризации (гелеобразования) и золеобразования крахмала и крахмал содержащего сырья.
2. Осуществление процессов гидротепловой обработки крахмалистого
сырья в присутствии комплексонов привело к ускорению (на 32-44%)
последующих процессов ферментативного гидролиза его составных частей
(крахмала, белка, клетчатки, гумми- и слизевых веществ), что повысило (на
22-38%) доброкачественность получаемых питательных сред и
интенсифицировало процесс их биоконверсии.
3. Впервые показано, что деминерализация и гидратация
крахмалистого сырья комплексонами позволило проводить процесс его
низкотемпературной механико-ферментативной деструкции с максимальной
эффективностью, т.е. при температуре близкой к температурному оптимуму
действия декстринизирующих ферментов (63-68С). При этом выход спирта
удалось повысить на 0,4-0,6 дал/т крахмала ржи.
4. Установлено, что улучшение физико-химических и
органолептических показателей спирта при использовании комплексонов
связано с их способностью снижать эффективную температуру деградации
крахмалистого сырья и повышать величину доброкачественности зернового
сусла. При этом наблюдаемое улучшение органолептических показателей
спирта категорий «Люкс» и «Экстра» коррелировало с 4-х кратным
снижением в бражных дистиллятах микропримесей, определяемых
хроматомасс-спектрометрическим методом.
-
Несмотря на различие в химическом составе крахмалсодержащего и сахаросодержащего видов сырья использование приема связывания металлов и гидратации исследуемыми комплексонами способствует повышению биоусвояемости субстратов, приготовленных на основе свекловичной мелассы, что интенсифицировало процессы их биоконверсии.
-
Показано, что интенсификация процессов биоконверсии крахмал- и сахаросодержащего сырья всеми видами изучаемых комплексонов обусловлено их способностью повышать биодоступность субстрата, а интенсифицирующее свойство солей полифосфорных кислот также их способностью воздействовать на метаболизм клетки.
Практическая значимость.
На основе результатов исследования комплекса технологических параметров процессов подготовки крахмал- и сахаросодержащего сырья к микробиологической конверсии были созданы новые и усовершенствованы существующие технологии производства пищевого спирта, хлебопекарных дрожжей и лимонной кислоты.
Создана и внедрена в производство технологическая схема низкотемпературной хемомеханико-ферментативной обработки зернового сырья в технологии пищевого спирта (на 3-х предприятиях отрасли России: ОАО «Костромаспиртпром», ГУП «Тюрнясевский СЗ», ГУП «Сармановский СЗ» и на 1-ом предприятии Украины: «Коростышевский СЗ»).
С целью увеличения энзиматической активности солодового молока и снижения уровня его химической деконтаминации был разработан и внедрен
в производство технологический способ комплексного механо-химического диспергирования солодового молока (ГУП «Мамадышский СЗ», РТ, РФ; Частное производство спирта ТОО «БМ», Казахстан).
Создан и внедрен в производство технологический способ приготовления питательных сред на основе мелассы, позволивший увеличить выход дрожжей и улучшить их потребительские качества (ОАО «Сарапульский дрожжепивзавод», цех хлебопекарных дрожжей при ОАО «Буинский сахарный завод»).
Внедрен в производство технологический способ химического диспергирования мелассного шлама и усиления процессов декальцификации и деферратизации мелассных растворов, который позволил повысить выход лимонной кислоты и сократить длительность процесса поверхностного культивирования Asp. niger (цех по производству лимонной кислоты при ОАО «Казанский институт кинофотоматериалов»).
Автор защищает новые технологические методы и приемы повышения эффективности процессов тепловой и энзиматической деградации крахмал- и сахаросодержащего сырья на основе использования комплексообразующих веществ и решение важной научно-технической задачи создания промышленных интенсивных технологий производства пищевого спирта, лимонной кислоты и хлебопекарных дрожжей с улучшенными их потребительскими характеристиками.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались:
- на Международных симпозиумах и конференциях: «Отходы производств и их стандартизация и паспортизация» (г.Пенза, 1994), «Экология -98» (г. Архангельск, 1998), «Менделеевский съезд по общей и прикладной химии» (Казань, 2003).
на Всероссийских, межрегиональных и республиканских конференциях, семинарах и совещаниях:
«Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 1994, 1997, 1998), «Химия высокомолекулярных соединений» (Казань, 1993, 1996), «Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии в спиртовой и ликероводочной промышленности» (Казань, 2000), «Пищевые технологии» (Казань, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 научная работа, в том числе 15 статей, 5 патентов и 1 зарегистрированный товарный знак. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, выборе объектов, методик и непосредственном участии во всех этапах работы, анализе и обобщении полученных результатов, оформлении статей и заявок на изобретение. Автор выражает сердечную благодарность Гамаюровой B.C., Дебердееву Р.Я., Крыницкой А.Ю., Сысоевой М.А. Федосееву Ю.В., Дьяконскому П.И. за помощь и внимание при выполнении работы.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 305 страницах машинописного текста, состоит из введения, 10 глав, заключения и библиографического списка, включающего 348 наименований. Диссертация проиллюстрирована 73 рисунками и 40 таблицами. Приложения занимают 55 страниц.
