Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Общая характеристика топинамбура 10
1.2. Биохимический состав клубней топинамбура 11
1.2.1. Характеристика углеводного комплекса 12
1.2.1.1. Фруктозаны топинамбура 13
1.2.1.2. Пектиновые вещества 17
1.2.2. Ферментный комплекс топинамбура 22
1.3. Сравнительная характеристика способов гидролиза фруктозанов топинамбура
1.3.1. Ферментативный гидролиз инулина топинамбура 27
1.3.1.1. Применение микробных инулиназ 28
1.3.1.2. Самоосахаривание инулина топинамбура под действием собственных гидролаз сырья 30
1.4. Ферментативный гидролиз пектиновых веществ растительного сырья
1.5. Заключение по обзору литературы 36
2. Экспериментальная часть 39
2.1. Материалы и методы исследования 39
2.1.1. Материалы 39
2.1.2. Методы исследования 40
2.1.2.1. Методы анализы биохимического состава топинамбура 40
2.1.2.1.1. Определение массовой доли влаги 40
2.1.2.1.2. Определение массовой доли инулина 40
2.1.2.1.3. Исследование фракционного состава углеводного комплекса клубней топинамбура
2.1.2.1.4. Определение массовой доли целлюлозы и гемицеллюлоз 41
2.1.2.1.5. Метод количественного определения пектиновых веществ
2.1.2.1.6. Методы исследования качественных характеристик пектина 43
2.1.2.1.6.1. Определение массовой доли свободных, метоксилированных карбоксильных групп и ацетильных групп
2.1.2.1.6.2. Расчет степени метоксилирования пектина, содержания метоксильных групп и массовой доли полигалактуроновои кислоты 44
2.1.2.1.7. Методы определения ферментативной активности топинамбура
2.1.2.1.7.1. Инулиназная активность 46
2.1.2.1.7.2. Пектинэстеразная активность 47
2.1.2.2. Анализ продуктов (затора, сока, сусла, жмыха), получаемых на отдельных стадиях переработки топинамбура
2.1.2.2.1. Изучение фракционного состава углеводного комплекса 48
2.1.2.2.2. Определение массовой доли пектина и протопектина 48
2.1.2.2.3. Определение массовой доли сухих веществ 48
2.1.2.2.4. Определение чистоты сусла 48
2.2. Результаты исследований и их обсуждение 49
2.2.1. Исследование углеводного комплекса топинамбура и его анатомических частей 49
2.2.1.1. Анализ фракционного состава фруктозанов сырья 52
2.2.1.2. Определение содержания пектина и протопектина в клубнях 53
2.2.1.3. Изучение свойств пектиновых веществ топинамбура 54
2.2.2. Характеристика ферментного комплекса топинамбура 61
2.2.2.1. Инулиназа - активность, свойства 62
2.2.2.2. Пектинэстераза - активность, свойства 65
2.2.3. Разработка общей схемы исследований 70
2.2.4. Исследование процесса перевода и деструкции фруктозанов и пектиновых веществ при получении сока из топинамбура 72
2.2.5. Исследование процесса гидролиза фруктозанов топинамбура под действием собственных гидролаз сырья 79
2.2.6. Получение осветленного осахаренного сусла по 2-х и 1-но стадийным схемам переработки топинамбура 82
2.2.6.1. Исследование динамики изменения фруктозанов сырья 82
2.2.6.2. Сравнительная характеристика показателей качества осветленного сусла 88
2.2.7. Применение препаратов протеолитического и цитолитического действия в технологии этанола из топинамбура 90
2.2.7.1. Влияние обработки затора целлюлазами и протеазами на переход фруктозанов в сусло 91
2.2.7.2. Исследование изменений в пектолитическом комплексе сырья под действием целлюлаз и протеаз 95
2.2.8. Оптимизация технологических режимов получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура 99
Выводы 107
Список литературы 110
- Фруктозаны топинамбура
- Самоосахаривание инулина топинамбура под действием собственных гидролаз сырья
- Расчет степени метоксилирования пектина, содержания метоксильных групп и массовой доли полигалактуроновои кислоты
- Изучение свойств пектиновых веществ топинамбура
Введение к работе
Актуальность темы
Среди разнообразия нетрадиционных видов растений одним их перспективных для хозяйственного использования является топинамбур. Возрождение интереса к данной культуре связано с появлением новых аспектов его использования, в том числе в качестве основного сырья спиртового производства.
По мнению отечественных и зарубежных специалистов [20, 46, 103, 161], топинамбур является одним из самых дешевых видов сырья для спиртовой промышленности. Это весьма существенное его преимущество, так как спиртовая отрасль относится к материалоемким отраслям пищевой промышленности.
Топинамбур характеризуется полноценным биохимическим составом с преобладанием в клубнях углеводов, в первую очередь фруктозанов. В нем имеется достаточно азотистых веществ, микро- и макроэлементов. Клубни богаты витаминами, в частности биотином, обладают активным комплексом ферментов, гидролизующих инулин.
С позиции спиртового производства трудности в переработке данного вида сырья представляют собой пектиновые вещества топинамбура. Причем, сведения о данной группе соединений в литературе до настоящего времени весьма ограничены и в ряде случаев противоречивы.
Доказанным является факт повышенного (в 3-5 раз по сравнению с картофелем и более чем в 10 раз по сравнению с зерном) содержания пектиновых веществ в топинамбуре. Их деструкция в процессе классического жесткого термического разваривания сырья может служить причиной накопления в бражке сверхнормативного количества метанола.
Поэтому, специалистами спиртовой отрасли предлагаются альтернативные низкотемпературные схемы переработки топинамбура,
позволяющие сократить содержание в готовом продукте столь токсичной примеси. Так, учеными МГУПП разработана технология, основанная на процессах самоосахаривания затора из топинамбура под действием собственных инулиназ сырья, активированных ионами Са+2.
Однако, несмотря на очевидные выгоды, в первую очередь экономического характера, позволяющие отнести данную технологию к энерго- и ресурсосберегающей, она может быть усовершенствована, в частности в направлении дальнейшего повышения качества этанола. Одновременно существуют, как показывают теоретические предпосылки, и пути дополнительного повышения рентабельности производства при использовании клубней топинамбура на спиртовых заводах. Одним из них является дифференцированный способ переработки данного нетрадиционного сырья, позволяющий вырабатывать кроме этанола другие конечные продукты, к примеру, пектиновые вещества (пектинопродукты).
Для комплексного использования клубней необходимо выделить из сырья жидкую фазу (сусло), направив ее в дальнейшем на сбраживание, а твердый остаток (жмых) использовать для производства пектинопродуктов.
При этом, эффективность процесса разделения, заключающаяся в максимальном переводе фруктозанов сырья в сусло, их наибольшей степени деструкции и минимальном разрушении протопектина сырья, будет определяться как исходным биохимическим составом топинамбура, в том числе активностью и характером действия ферментов, участвующих в гидролизе отдельных групп углеводов сырья, так и способами и режимными параметрами стадий получения осветленного сусла.
А поэтому, комплексные исследования, посвященные изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и происходящих в нем на стадии получения осветленного сусла изменений, несомненно, являются актуальными. Результаты исследований позволят прогнозировать процесс и выбрать наиболее эффективные пути комплексного использования нетрадиционного для спиртовой отрасли инулинсодержащего сырья.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы являются исследования, посвященные изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура, изменений в нем в процессе обработки сырья и разделения его на фракции с получением осветленного осахаренного сусла оптимального для спиртового производства состава.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
исследовать содержание фруктозанов и пектиновых веществ в клубнях топинамбура и их распределение по анатомическим частям сырья;
получить образцы пектина из анатомических частей топинамбура и изучить свойства гидрато- и протопектина клубней;
охарактеризовать ферментный комплекс топинамбура, определить активность и свойства инулиназ и пектинэстеразы сырья;
исследовать процессы перевода и деструкции фруктозанов и пектиновых веществ при получении сока из топинамбура;
провести сравнительную характеристику способов получения осветленного осахаренного сусла по 2-х и 1-но стадийным схемам переработки топинамбура;
установить влияние внесения в замес ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия на процессы перехода фруктозанов в сусло и деструкцию пектиновых веществ сырья;
провести оптимизацию технологических режимов получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура.
Научная новизна
Впервые проведены комплексные исследования по изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении осветленного сусла, позволившие научно прогнозировать оптимальные варианты и режимные параметры разделения сырья на жидкую и твердую фракции.
Получены новые научные данные по распределению фруктозанов, гидрато- и протопектина сырья по анатомическим частям клубней, на основании которых предложена схема выделения образцов пектина из топинамбура.
Впервые установлено, что нерастворимый протопектин топинамбура относится к высокоэтерифицированному, имеет в зависимости от подготовки исходного сырья степень метоксилирования 60,4-63,6 %; массовую долю полигалактуроновой кислоты 31,0-67,1 % на СВ.
Определена активность свободных и связанных форм инулиназ топинамбура, показано, что большей активностью обладают связанные формы фермента. Выявлены оптимальные условия действия инулиназ: t=45-50 С, рН 6,0. Показано, что внесение ионов Са в затор повышает активность инулиназ на 20-30 %.
Впервые изучена пектинэстераза топинамбура. Установлено, что ее активность составляет 0,22-0,35 ед. ПЭ/г топинамбура, что соответствует 36,6-41,9 ед ПЭ/г пектина сырья. Оптимальными условиями действия пектинэстеразы являются: t=40-45 С, рН 6,0-7,0. Подкисление затора до рН 4,5-5,0 снижает активность фермента на 25-50 %.
Исследован процесс деструкции и перевода фруктозанов и пектиновых веществ при различных вариантах получения осветленного осахаренного сусла, на основании которого доказано преимущество переработки сырья по 1-но стадийной схеме.
Впервые проведены работы по получению осветленного сусла из топинамбура с использованием ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия. Установлено, что внесение Нейтразы, Целловиридина Г20х и разработанного на их основе МЭК, влияет на процесс разделения сырья на жидкую и твердую фазы.
Практическая значимость работы
Разработаны способы и оптимизированы технологические режимы получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура, позволяющие
перевести максимальное количество фруктозанов сырья в жидкую фазу, провести их глубокую деструкцию и сконцентрировать вредные для производства этанола пектиновые вещества в жмыхе.
Выделение жидкой фазы в виде осветленного осахаренного сусла и его последующее сбраживание дает возможность перевести процесс переработки такого нетрадиционного перспективного и вместе с тем проблемного для спиртовой отрасли из-за повышенного содержания пектиновых веществ сырья, как топинамбур с традиционных технологий на комплексные. Внедрение последних при использовании в качестве сырья клубней топинамбура ведет к одновременному повышению и качественных характеристик этанола, и рентабельности предприятий в целом за счет возможности выработки второго ценного продукта, каким является пектин.
Фруктозаны топинамбура
Самым высокомолекулярным среди фруктозанов является инулин. Впервые инулин был получен Розе [108] в 1804 году из корней инулы высокой, которой обязан своим названием.
Существовали различные представления о строении инулина. Сначала выдвигалась гипотеза, что он состоит только из D-фруктозы. Позднее было доказано присутствие 1,5 % D-глюкозы в гидролизатах, полученных путем ферментативного гидролиза. Существовало предположение, что инулин - это разветвленная цепь фруктофуранозных остатков, имеющих один гликозидный остаток в конце цепи и один в промежуточном положении [108].
В настоящее время считается доказанным, что инулин относится к группе полифруктозанов с эмпирической формулой (СбНюОг) и представляют собой полифруктозную цепь, в которой остатки D-фруктозы (до 96%) связаны р-2,1 -связью, причем каждая цепь с нередуцированного конца заканчивается молекулой D-глюкозы (до 6%), соединенной с фруктозой 3-1,2-связыо (рис.1) [86]. Инулин - невосстанавливающий полисахарид, не дающий с йодом окраски. Легко расщепляется до D-фруктозы, D-глюкозы и ди-D-фруктозоангидридов при нагревании в присутствии неорганических и органических кислот; под действием ферментов (инулаз). При этом высвобождающаяся из цепи при гидролизе фруктоза переходит из неустойчивой фуранозной формы в более устойчивую - пиранозную. В настоящее время науке известны три формы инулина: а-инулин (белый аморфный порошок), р-инулин (бесцветные кристаллы), у-инулин. Они отличаются молекулярной массой, степенью полимеризации, температурой растворения, способом получения и т.д. а-форма образуется при вымораживании инулина из раствора; Р-форма - при осаждении спиртом; у-форма - после применения целого ряда процессов, связанных с воздействием различных температур. Все формы взаимопревращаемые [17]. По сложности молекулы отношение между инулином и инулидами такое же, как между крахмалом и декстринами, так что ряду крахмал-декстрины-глюкоза соответствует ряд инулин-инулиды-фруктоза. Но в отличие от крахмала степень полимеризации инулина значительно меньше. При длине цепи инулина 35-42 гексозных единиц молекулярная масса находится в пределах 5000-6000 условных единиц [57]. Вместе с тем степень полимеризации амилозы составляет 200-1000 (молекулярная масса соответственно 32400-162000 условных единиц). Амилопектин - одна из наиболее крупных органических молекул (молекулярная масса достигает 10-10 условных единиц) [107]. К тому же он имеет разветвленное строение. Общее содержание фруктозанов, то есть инулина и других углеводов, которые в результате гидролиза дают фруктозу, составляет в клубнях топинамбура 65-80% от общей суммы сухих веществ [11, 27, 57]. Существенное влияние на процесс переработки топинамбура в этанол может оказать фракционный состав фруктозанов. Для его исследования предлагаются различные методы. К первой группе относят методы, основанные на различиях в растворимости углеводов с разной степенью полимеризации (СП), ко второй - хроматографические методы. Специалистами МГУПП [5] разработана схема выделения и исследования фракционного состава углеводного комплекса топинамбура, предусматривающая определение следующих фракций: Фракция І (ФІ) - редуцирующие свободные сахара; Фракция II (ФН) - олигосахариды и низкомолекулярные фракции инулина; Фракция III (ФШ) - высокомолекулярные фракции инулина. В результате исследований, проведенных учеными Украинского государственного университета пищевых технологий, разработан простой, быстрый и точный метод определения фракционного состава топинамбура и другого инулинсодержащего сырья, в основу которого положено гель-хроматографическое разделение углеводов с использование сефадекса Г-25 [113]. Применив данный метод, авторы охарактеризовали углеводный комплекс сока топинамбура сорта Интерес весеннего урожая в зависимости от размера и величины клубней [114]. Ими показано, что большие и средние удлиненные грушевидные клубни имели наиболее высокое содержание высокомолекулярных фракций, в основном со степенью полимеризации (СП) 11-27. Также в работе отмечается, что независимо от формы и величины клубней топинамбура метаболический фонд олигосахаридов с СП 4-10 составляет примерно 48% всех углеводов топинамбура, причем имеет максимальную стабильность. Ряд работ [53, 56, 69, 104, 105, 119] посвящен вопросам, связанным с изменениями, происходящими в углеводном комплексе топинамбура при хранении. Установлено, что в процессе хранения топинамбура осеннего сбора наблюдается почти один и тот же характер течения биохимических процессов, а именно деполимеризация высокомолекулярных фруктозанов с образованием низкомолекулярных. Авторами получены корреляционные и ковариационные матрицы аппроксимирующих функций, характеризующие изменение высокомолекулярных и низкомолекулярных фруктозанов топинамбура в зависимости от условий его хранения.
Хранение топинамбура весеннего урожая наоборот стимулирует ресинтез высокомолекулярных углеводов (ВМФ). Их количество увеличивается на 37% [115].
Таким образом, как следует из анализа литературных данных, образцы топинамбура могут значительно отличаться не только массовой долей в них суммарных фруктозанов, но и процентным содержанием отдельных фракций. И если первый параметр определяет выход этанола из единицы сырья, то второй может оказать существенное влияние на ход протекания технологических процессов, в том числе при получении осветленного осахаренного сусла из клубней. А поэтому первый этап работ по созданию эффективной технологии этанола из топинамбура должен начинаться с определения общего содержания и фракционного состава фруктозанов исходного сырья.
Самоосахаривание инулина топинамбура под действием собственных гидролаз сырья
Как отмечалось выше в разделе 1.2.2. клубни топинамбура обладают инулиназной активностью, повысить которую, как показали работы ученых МГУПП, можно путем внесения в затор ионов Са в оптимальных концентрациях. С учетом установленного эффекта была разработана энерго-и ресурсосберегающая технология этанола из топинамбура, защищенная Патентом РФ [102], согласно которой в смесь, состоящую из измельченного топинамбура и воды, вносили ионы Са в виде CaS04 в количестве 0,01% к массе сырья. Процесс самоосахаривания вели при 50-55 С в течение 2-3 часов. За указанное время массовая доля РВ возрастала с исходных 8-10% в заторе до 30-35% в сусле (расчет на сухие вещества сырья). Дальнейший процесс осахаривания фруктозанов топинамбура протекал на стадии брожения. Авторами убедительно доказана перспективность переработки топинамбура по данной схеме, максимально упрощающей процесс, снижающей затраты на осахаривающие материалы.
Вместе с тем, разработанная технология может быть усовершенствована путем дальнейшего улучшения рентабельности производства за счет выработки дополнительно ценного продукта, каким является пектин.
Для реализации выдвинутого предложения необходимо провести дифференцированное разделение топинамбура на жидкую и твердую фазы и иметь сведения о процессах деструкции фруктозанов сырья, идущих в ходе получения осветленного осахаренного сусла. В настоящее время таких данных в литературе не установлено.
Кроме того, должны быть изучены процессы, связанные с изменениями, происходящими в пектолитическом комплексе сырья. Для понимания последних в обзоре литературы приводится раздел о ферментативном гидролизе пектинов растительного сырья и участвующих в нем основных классах ферментов. В связи с отсутствием данных по топинамбуру он дает на примере других пектиносодержащих видов сырья.
Ферменты, субстратами для которых являются пектиновые вещества растительного сырья, подразделяются на две группы: пектолитические ферменты, гидролизующие пектиновые вещества с участием воды (гидролазы) и негидролитические ферменты, принадлежащие к классу лиаз, осуществляющие расщепление пектиновых веществ без участия воды. Действие ферментов первой группы, катализирующих гидролиз пектиновых веществ с участием воды, схематично представлено на рис. 3. » Есть мнение, что протопектиназа атакует протопектин. Однако вопрос о существовании данного фермента до последнего времени считается спорным [18]. Эндополигалактуроназа, эндо-ПГ (КФ.3.2.1.15) катализирует гидролиз а-1,4-гликозидных связей между неэтерифицированными остатками галактуроновой кислоты в различных пектиновых полисахаридах. Гидролиз происходит неупорядоченным способом, предпочтительно расщепляются внутренние связи полимеров. Экзополигалактуроназа, экзо-ПГ (КФ.3.2.1.67) катализирует расщепление конечных а-1,4-гликозидных связей между неэтерифицированными остатками галактуроновой кислоты в различных пектиновых полисахаридах с образованием моногалактуроновой кислоты. Под действием пектинэстеразы ПЭ (КФ.3.1.1.11) происходит гидролитическое отщепление метоксильных групп от растворимого пектина и образуются метиловый спирт и полигалактуроновая кислота. К пектинлиазам относятся: 1. Эндо-пектатлиазы, эндо-ПКТЛ (КФ.4.2.2.2), которые неупорядоченным образом деполимеризуют молекулу пектина до ненасыщенной дигалактурововой кислоты. Эндо-ПКТЛ синтезируются многими батериями, найдены у грибов и высших растений. Имеют молекулярные массы 30-100 кД и оптимум рН в пределах 8,0-9,0. Эндо-ПКТЛ состоят из одной полипептидной цепи, для проявления максимальной активности требуют ионов Са или других двухвалентных катионов. 2. Экзо-пектатлиазы, экзо-ПКТЛ (КФ.4.2.2.9), расщепляют предпоследнюю гликозидную связь от восстанавливающего конца. Продукт реакции - ненасыщенный димер. 3. Олигогалактуронидлиазы, ОГЛ (КФ.4.2.2.6), катализируют расщепление первой гликозидной связи от восстанавливающего конца у насыщенных и ненасыщенных олигогалактуронидов, образующихся при действии эндо-ПКТЛ и эндо-ПГ на D-галактуронаны. Скорость расцепления олигогалактуронидов падает с увеличением их степени полимеризации. 4. Пектинлиазы, ПЛ (КФ.4.2.2.10) предпочтительно расщепляют высокоэтерифицированные D-галактуронаны путем неупорядоченного действия с образованием ненасыщенных олиго-D-галактуронатов. Большая часть изученных ПЛ не действует на пектаты. ПЛ широко распространены у грибов. Более подробно остановимся на пектолитических ферментах класса гидролаз. Известно, что под их действием реакции протекают по следующей схеме.
Расчет степени метоксилирования пектина, содержания метоксильных групп и массовой доли полигалактуроновои кислоты
Инулиназную активность в топинамбуре определяли методом, описанным в работе [146].
За единицу инулиназной активности (ЕЙ) принимали такое количество фермента, содержащегося в топинамбуре, которое в заданных условиях опыта катализирует отщепление от инулина 1 мкмоль фруктозы за минуту.
Субстратом в экспериментах служил 5% раствор инулина.
Ферментные растворы готовили следующим образом: чистый растительный материал (клубни топинамбура) измельчали в миксере с раствором 0,1 М цистеина и 0, 05 М Na-диэтилдитиокарбамата. Затем смесь дополнительно гомогенизировали и далее центрифугировали для выделения экстракта. Считали, что такая обработка позволяет выделить свободные и связанные формы инулиназ. При получении экстракта непосредственно из измельченной массы топинамбура без добавления сульфгидрильных соединений в раствор преимущественно переходили свободные формы инулиназ.
Гидролиз проводили при температуре 37 С, рН 6,0 в течение 3-х часов. Для этого в пробирку приливали 1 мл субстрата, добавляли 5 мл экстракта из топинамбура, смесь выдерживали указанное время. Затем для прекращения ферментативной реакции пробирку на 3 мин помещали в кипящую водяную баню. Образовавшиеся сахара определяли методом Шомодьи-Нельсона. В качестве контроля служила проба, в которой пробирку с субстратом и экстрактом сразу нагревали до 100 С.
Пектинэстеразную активность (ПЭ) в топинамбуре определяли с применением химического ацидиметрического метода [92]. Метод основан на определении карбоксильных групп, освободившихся в результате гидролиза эфирных связей в пектине.
За единицу пектинэстеразной активности (ПЭ) принимали такое количество фермента, содержащегося в топинамбуре, которое катализирует гидролиз 1 мкэкв сложноэфирных связей в молекуле пектина за 1 мин, в заданных условиях опыта (t=30 С, рН 6,0). Субстратом в экспериментах служил 1%-ный раствор свекловичного пектина (промышленный образец с известной степенью метоксилирования и массовой долей полигалактуроновой кислоты). Ферментный раствор готовили путем настаивания смеси из измельченного топинамбура и буферного раствора в течение 1 ч при 20 С и ее последующей фильтрации. Для получения инактивированного ферментного раствора (контрольная проба) фильтрат выдерживали в кипящей водяной бане в течение 1 ч. Гидролиз проводили при температуре 30 С, рН 6,0 в течение 1 ч. Для этого колбу с 20 мл субстрата предварительно прогревали при 30 С, затем в нее вносили 10 мл ферментного раствора, по завершении гидролиза пробы вынимали из термостата и при помощи потенциометра быстро титровали опытные и контрольные растворы 0,1 н. раствором NaOH. При расчете пектинэстеразной активности не учитывалось содержание пектина в ферментном растворе, который получали из клубней топинамбура. Данное допущение не существенно, по мнению автора, влияет на значение ПЭ анализируемых образцов топинамбура, так как по методике [92] в пробу с субстратом вносится 200 мг пектина, с ферментным раствором даже при 100%-ной степени деструкции протопектина сырья не более 2-4 мг. 2.1.2.2. Анализ продуктов (затора, сока, сусла, жмыха), получаемых на отдельных стадиях переработки топинамбура. 2.1.2.2.1. Изучение фракционного состава углеводного комплекса. Для определения изменений, происходящих в углеводном комплексе сырья при переработке топинамбура, использовали схему, описанную в разделе 2.1.2.1.3., с введенной корректировкой. Из схемы исключалось выделение спирторастворимых Сахаров. Измельченный топинамбур непосредственно обрабатывали дистиллированной водой. В фильтрате до кислотного гидролиза определяли массовую долю свободных Сахаров, после кислотного гидролиза сумму свободных Сахаров, олигосахаридов и низкомолекулярных фракций инулина. 2.1.2.2.2. Определение массовой доли пектина и протопектина. Определение массовой доли пектина и протопектина в заторе, соке, сусле, жмыхе проводили с использованием кальций-пектатного метода [38]. 2.1.2.2.3. Определение массовой доли сухих веществ. Массовую долю растворимых сухих веществ в анализируемых продуктах определяли рефрактометрическим методом [81]. 2.1.2.2.4. Определение чистоты сусла. Чистоту сусла рассчитывали как отношение суммы растворимых сбраживаемых углеводов в сусле к массовой доле в нем сухих веществ [81]. 2.2.1. Исследование углеводного комплекса топинамбура и его анатомических частей Анализ состояния и перспектив развития спиртовой отрасли [48, 82, 130], а также оценка отечественного зернового рынка [19] показывают, что одним из возможных путей решения проблем спиртовых заводов, связанных с низкой рентабельностью производства и трудностями в снабжении предприятий основным сырьем, является использование в технологии этанола нетрадиционных видов сырья [45, 74, 112], в том числе и топинамбура. Известно, что выход и качество этилового спирта при переработке определенного вида сырья зависят в значительной степени от его химического состава, определяющими показателями которого являются углеводы. Углеводы клубней топинамбура представлены фруктозанами разной молекулярной массы, суммарное содержание которых соответствует в настоящей работе термину «инулин», а также целлюлозой гемицеллюлозами и пектиновыми веществами. В качестве объектов исследования в работе использовали клубни топинамбура сорта Скороспелка осеннего сбора урожая. Анализируемые образцы отличались величиной клубней (образец II характеризовался клубнями большей величины, по сравнению с другими) и погодно-климатическими условиями выращивания, изменяющимися в период 2003-2005 гг. Результаты исследований клубней топинамбура по содержанию в них основных групп углеводов, приведенные на примере четырех образцов, даны в табл.2. Установлено, что основными углеводами топинамбура являются фруктозосодержащие соединения, массовая доля которых варьируется в пределах 73,0-86,0 %. На втором месте в количественном отношении стоят целлюлоза и пектиновые вещества. Их суммарная массовая доля составляет 4,38-6,10 %. Содержание гемицеллюлоз не превышает 1,5 %. Эти данные согласуются со сведениями других авторов, характеризующих состав углеводного комплекса топинамбура [5, 57].
Изучение свойств пектиновых веществ топинамбура
Подготовку проб, предназначенных к гидролизу, осуществляли следующим образом: - при 2-х стадийной схеме в измельченный топинамбур вносили расчетное количество CaS04, массу активно перемешивали для равномерного распределения соли в течение 3-5 минут. Далее смесь подвергали прессованию, получали сок и мезгу. Последнюю смешивали с водой и проводили дополнительную обработку; - при 1-но стадийной схеме в измельченный топинамбур вносили воду и 0,01% CaSC 4 к массе сырья. Процесс гидролиза проб осуществляли при оптимальных для действия инулиназ сырья условиях: t=55-60 С, рН 5,8-6,0. Анализ проб включал следующие стадии: - отделение от осахаренной массы твердого осадка (жмых); использование жидкой фазы I, которая по разрабатываемой технологии будет далее сбраживаться с получением этанола, для определения фракции углеводов ФІ и ФП после дополнительного кислотного гидролиза жидкой фазы I; - добавление к осадку дистиллированной воды, кипячение пробы, фильтрацию с получением жидкой фазы II, ее кислотный гидролиз и определение фракции углеводов ФІІІ. Расчет массовой доли фракций ФІ, ФІІ, ФІН проводили по результатам определения в них РВ. При изучении эффективности процесса получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура по 2-х стадийной схеме переработки сырья необходимо было исследовать, во-первых, изменения, происходящие во фракционном составе полисахаридов мезги под действием собственных, оставшихся в ней, гидролаз сырья, во-вторых, изучить процесс самоосахаривания выделенного сока, так как его анализ (раздел 2.2.4.) показал, что он непосредственно не может быть использован для сбраживания ввиду преобладания в составе углеводов олигосахаридов и низкомолекулярных фракций инулина (ФП). Известно, что они плохо сбраживаются спиртовыми дрожжами, имеющими мало активной инулиназы. Анализ фракционного состава углеводного комплекса исходного топинамбура и мезги, оставшейся после выделения сока из измельченных клубней, показывает (табл. 15), что в твердом остатке концентрируются высокомолекулярные фракции инулина. Массовая доля фракции ФШ составляет в мезге 62,1% против 38,6% в топинамбуре. Установлено, что гидролиз полисахаридов мезги в процессе самоосахаривания массы гидролазами сырья позволяет снизить содержание нерастворимых фруктозанов до 35-40% на СВ. (рис. 15). Динамика изменения фракционного состава углеводного комплекса мезги показывает, что наиболее интенсивно гидролиз протекает в течение первых 4-6 часов и сопровождается накоплением в среде свободных Сахаров, олигосахаридов и низкомолекулярных фракций инулина. Причем, основными продуктами гидролиза высокомолекулярных углеводов в начале процесса (2-х часовая выдержка) являются фракции ФП. Их массовая доля в пробе возрастает более чем в 2 раза по сравнению с исходной мезгой. Увеличение времени обработки до 8-12 часов существенно не повышает процент перехода фруктозанов сырья в растворимое состояние, а поэтому продолжительность самоосахаривания массы, состоящей из мезги и воды, принимается равной 6 часам. Отдельные эксперименты были посвящены изучению процессов, происходящих в соке, при его выдержке в течение 2-12 часов при температурах нагрева 50 С и 60 С гидролазами сырья. (t= 60С, рН 6) Установлено (рис. 16), что данная операция позволяет увеличить массовую долю свободных Сахаров в соке, причем, процесс самоосахаривания идет интенсивнее при температуре 50 С по сравнению с обработкой при 60 С. Содержание РВ в пробах достигает 5,5-6,0%, что составляет примерно одну треть от общего количества фруктозанов в соке. То есть, под действием собственных инулиназ топинамбура, перешедших в сок, не удается достичь полного осахаривания углеводов фракции ФИ. Данный факт может быть связан со следующими причинами. Во-первых, недостаточной, как установлено в разделе активностью растворимых форм инулиназ топинамбура.
Другой причиной плохого осахаривания сока может быть высокая концентрация в нем самих фруктозанов (около 15%). Ранее установлено [5], что процесс гидролиза инулина в сырье протекает значительно интенсивнее при добавлении в измельченный топинамбур воды. Однако, в случае получения осветленного сусла по 2-х ступенчатой схеме переработки сырья весь возможно допустимый объем воды используется на стадии обработки мезги. Ввод дополнительного количества воды для разбавления сока приведет к снижению концентрации осахаренного сусла, что экомически не целесообразно для спиртовой промышленности.
Также невысокая степень осахаривания сока может быть связана с фракционным составом его углеводного комплекса. В нем может содержаться много олигосахаридов со степенью полимеризации СП=4-10. В литературе есть сведения [114], что независимо от формы и величины клубней топинамбура метаболический фонд олигосахаридов с данной степенью полимеризации составляет примерно 48% всех углеводов топинамбура. Также указывается, что они имеют максимальную стабильность.
