Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 12
1.1. Способы получения белковых препаратов из зерна 12
1.1.1 Современное состояние спиртовой промышленности 12
1.1.2. Использование дифференцированных фракций зерна пшеницы при производстве пищевого белка 15
1.1.3. Получение белковых композитов из многокомпонентных зерновых смесей 22
1.1.4. Технология выработки белкового концентрата и его использование 26
1.1.5. Состав и свойства белковых композитов, полученных из пшеницы 28
1.1.6. Использование клейковины, белковых изолятов и концентратов в производстве продуктов питания 29
1.2. Белковые вещества зерна пшеницы 33
1.2.1. Общая характеристика белков пшеницы 33
1.2.2. Формы связей в белке 37
1.2.3. Пространственная структура белковой молекулы 38
1.2.4. Физико-химинеские свойства белков пшеницы 40
1.2.5. Классификация белков пшеницы 42
1.3. Способы выделения белков пшеницы 45
1.3.1. Экстрагирование белков органическими растворителями 45
1.3.2. Центрифугирование и фильтрация 46
1.3.3. Электрофоретические методы 47
1.3.3.1. Электрофорез и ультрацентрифугированке 47
1.3.3.2. Диализ и электродиализ 48
1.3 .4. Хроматографические методы 48
1.3.4.1. Гель - хроматография 49
1.3.5. Мембранная фильтрация (ультрафильтрация) 50
1.3.5.1. Мембраны, применяемые для ультрафильтрации.,. 51
1.3.5.2. Технологические требования, предъявляемые к мембранам и факторы, влияющие на работу мембраны и процесс разделения „
1.3.5.3. Промышленные ультрафильтрационные установки 54
Глава 2. Материалы и методы исследования 56
2.1. Сырье и его анализ 56
2.2. Анализ разжижающих и осахаривающих средств 57
2.3. Специальные методы исследований 60
2.3.1. Определение содержания азота с Нингидрииовым реактивом 60
2.3.2. Метод гель-фильтрации растворов белка спиртовой дробины 61
2.4. Экспериментальная установка для выделения и концентрирования белковых фракций спиртовой дробины ... 64
2.5. Характеристика ультрафильтрационных мембран 66
2.6. Схема выделения белкового комплекса из спиртовой дробины 66
Глава 3. Особенности получения белкового комплекса 68
3.1. Влияние некоторых технологических параметров спиртового производства и физико-химических факторов на особенности получения белкового комплекса 68
3.1.1. Оптимизация условий получения белкового комплекса при приготовлении сусла 68
3.1.2. Оптимизация фракционного состава пшеницы для получения максимального выхода белка 77
3.2. Изучение состава компонентов белковых фракций и углеводного состава, эффективности процессов сбраживания
3.2.1. Определение содержания белка и углеводов в различных помолах пшеницы, а также в жидкой и твердой фракциях по стадиям производства этанола 70
3.2.2. Влияние степени измельчения пшеницы на соотношение жидкой и твердой фракций в полупродуктах спиртового производства.
3.2.3. Исследование влияния различных дозировок Термамила 120 Л и Сан-Супера 240 Л на изменение содержаниябелка в осахаренном сусле
3.3. Влияние некоторых параметров на физико-химические показатели процесса сбраживания зернового осветленного сусла 83
3.3.1. Влияние степени измельчения пшеницы на физико-химические показатели сброженного осветленного сусла 84
3.3.2. Влияние различных дозировок протеолитического ферментного препарата «Иейтраза» на накопление спирта в бражке о7
3.3.3. Динамика накопления диоксида углерода в процессе сбраживания осветленного и традиционного сусла 88
Глава 4. Исследование процесса ферментативного гидролиза белкового комплекса спиртовой дробины 91
4.1. Влияние некоторых протеолитических ферментных препаратов на процесс гидролиза белкового комплекса спиртовой дробины
4.2. Влияние различных дозировок «Нейтразы» на динамику изменения массовой доли растворимого белка, пептидов и аминокислот, тирозина в процессе гидролиза белкового комплекса спиртовой дробины 94
4.3. Исследование эффективности ферментативного гидролиза нативного и денатурированного белка спиртовой дробины при воздействии Протосубтилина Г10х, Амилопротооризина «Нейтразы» 98
4.3.1. Исследование фракционного состава белка спиртовой дробины при воздействии протеолитических ферментных препаратов 101
4.4. Оптимизация процесса протеолиза белкового комплекса спиртовой дробины при воздействии ферментного препарата «Нейтраза» 104
4.4.1. Влияние некоторых технологических факторов процесса деструкции белка на основные показатели эффективности протеолиза
4.4.2. Оптимизация параметров процесса деструкции белка ферментным препаратом «Нейтраза»
Глава. 5. Исследование процесса ультра фильтрационного разделения и концентрирования белкового комплекса спиртовой дробины 117
5.1. Влияние размера пор мембран на эффективность разделения белкового комплекса 117
5.2. Влияние типа мембран и продолжительности процесса ультрафильтрации на эффективность концентрирования белков различной молекулярной массы 121
5.3. Влияние продолжительности ультрафильтрации на мембранах УАМ - 50 и УАМ - 100 на содержание белка и белковых фракций в фильтрате и концентрате 127
Глава 6. Разработка технологии получения и применения белкового концентрата 132
6.1. Технология получения белкового концентрата 132
6.2. Изучение фракционного и аминокислотного состава в полупродуктах на различных стадиях производства спирта 137
6.3. Исследование жироэмульгирующей способности белкового концентрата
6.4. Исследование жиросвязьшающей способности белкового концентрата 146
6.5. Исследование растворимости белкового концентрата в зависимости от температуры 148
6.6. Исследование растворимости белкового концентрата в зависимости от рН среды 150
Основные выводы и результаты 152
Литература 154
Приложение 1 170
- Использование клейковины, белковых изолятов и концентратов в производстве продуктов питания
- Экспериментальная установка для выделения и концентрирования белковых фракций спиртовой дробины
- Влияние различных дозировок «Нейтразы» на динамику изменения массовой доли растворимого белка, пептидов и аминокислот, тирозина в процессе гидролиза белкового комплекса спиртовой дробины
- Влияние типа мембран и продолжительности процесса ультрафильтрации на эффективность концентрирования белков различной молекулярной массы
Введение к работе
Экономический кризис, перенасыщенность рынка алкогольной продукции, высокие налоги, неконкурентноспособность отечественных ликеро-водочных изделий, из-за низкого технического оснащения и высокой себестоимости этанола значительно осложнили финансовое состояние предприятий спиртовой промышленности.
Для устранения создавшегося положения требуется коренная реконструкция многих предприятий, оснащение их современной техникой, создание принципиально новых, энергетически выгодных технологий, обеспечивающих экологически чистое безотходное производство.
Актуальность [заботы.
В настоящее время для спиртовой промышленности чрезвычайно актуальна проблема снижения себестоимости конечного продукта — пищевого этилового спирта из зернового сырья. Решение этой задачи связано с необходимостью разработки принципиально новых технологий, позволяющих эффективно использовать полупродукты спиртового производства, сократить удельные эиергозатраты за счет рационального использования материальных и энергетических потоков в производстве, обеспечить экологическую безопасность спиртовых заводов при высоком качестве получаемого спирта. Применяемая сегодня в производстве спирта из зернового сырья технология не может быть признана оптимальной по причине неэффективного использования некрахмальных компонентов зернового сырья.
Учитывая количество перерабатываемого зернового сырья на этанол в спиртовом производстве при утилизации белковой составляющей, возможно, получить дополнительно 600 - 800 тыс. тонн белка в год в виде белкового концентрата.
В связи с этим все большее значение приобретают комплексные технологии глубокой переработки сельскохозяйственного сырья.
8 Таким образом, разработка новых безотходных ресурсосберегающих технологий получения этилового спирта, уменьшающих материальные затраты и ориентированных на комплексную переработку зерна, обеспечивающих снижение себестоимости спирта и выпуск дополнительной конкурентоспособной продукции, является актуальной задачей спиртового производства. Цель и задачи исследований. Цель работы - разработка ресурсосберегающей технологии переработки зерна пшеницы на этанол с получением белкового концентрата из спиртовой дробины, обеспечивающей повышение рентабельности ітроизводства, снижение себестоимости спирта за счет рационального использования зернового сырья.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
исследование и оптимизация основных технологических параметров, влияющих на процесс получения зернового сусла с максимальным выходом белка;
изучение изменения содержания углеводов и белка на стадиях разваривания, осахаривания и сбраживания сусла в зависимости от размера частиц помола пшеницы;
определение фракционного и аминокислотного состава белка по стадиям производства этанола;
изучение характеристик процесса ферментативного гидролиза осахаренного сусла, под действием протеолитических ферментных препаратов, а также динамики изменения содержания растворимого белка, пептидов и аминокислот и тирозина в белковом комплексе спиртовой дробины при действии ферментного препарата «Нейтразы». Оптимизация параметров процесса протеолиза (температура, продолжительность, дозировка ферментного препарата);
сравнительный анализ воздействия «Нейтразы», Протосубтилииа ПОХ, Амилопротооризина Г10Х на нативный и денатурированный белок белкового комплекса спиртовой дробины;
проведение исследований ацетатцеллюлозных мембран для разделения и концентрирования водорастворимых белков белкового комплекса спиртовой дробины, расчет материальных балансов;
разработка комплексной ресурсосберегающей технологии переработки зерна пшеницы на этиловый спирт и белковый концентрат.
оценка экономической эффективности при внедрении предлагаемой технологии на предприятиях.
Научная новизна
Теоретически обоснован новый способ переработки зерна пшеницы с выработкой высококачественного этилового спирта и белкового концентрата из спиртовой дробины, направленный на повышение рентабельности производства, снижение себестоимости спирта за счет рационального использования зернового сырья.
Определены зависимости влияния параметров процессов разваривания, осахаривания, центрифугирования, ультрафильтрации на фракционный (содержание альбуминов, глобулинов, проламинов, глютелинов) и аминокислотный состав белка.
Выявлены закономерности изменения содержания растворимого белка, пептидов и аминокислот и тирозина от продолжительности протеолиза и дозировки ферментного препарата, а также оптимизированы на основе метода центрального композиционного ротатабельного униформпланирования эксперимента условия проведения процесса ферментативного гидролиза и влияния «Нейтразы», Протосубтилииа ПОХ, Амилопротооризина ПОХ на нативный и денатурированный белок белкового комплекса спиртовой дробины.
10 Обоснована возможность разделения и концентрирования водорастворимых компонентов белкового комплекса спиртовой дробины на ацетат-целлюлозных мембранах.
Получен новый белковый продукт для использования в качестве белкового обогатителя в пищевых производствах.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработана технология переработки пшеницы с выработкой этилового спирта и белкового концентрата, с предварительным разделением осаха-рениого сусла на осветленное сусло и спиртовую дробину, с последующей промывкой дробины и выделением белкового комплекса.
Предложены режимы получения зернового сусла с максимальным содержанием белка, повышенным выходом этилового спирта при значительном сокращении количества примесей за счет использования комбинированных оптимальных помолов.
Возможность применения в производственных условиях результатов исследования фракционного и аминокислотного состава белка пшеницы, дробины, белкового комплекса и белкового концентрата.
Повышение технико-экономических показателей процесса спиртового брожения на основе исследований характеристик процесса ферментативного гидролиза сусла, а также оптимизации условий его проведения и влияния некоторых протеолитических ферментных препаратов на нативный и денатурированный белок.
Разработка режимов применения ацетатцеллюлозных мембран для выделения и концентрирования растворимых белковых фракций.
Предложенные технические решения позволяют:
интенсифицировать процесс брожения за счет применения: протеолитических ферментных препаратов;
обеспечить относительное увеличение выхода этанола из 1 т условного крахмала на 1,5%;
уменьшить содержание в бражке летучих примесей на 15.. .20%;
получить дополнительно дефицитный пищевой продукт, богатый аминокислотами в виде белкового концентрата в количестве 55 кг из 1 т зерна без снижения выхода этанола.
Рассчитан экономический эффект при внедрении технологии для завода производительностью 3000 дал а. а. в сутки: он составит 74502 руб.
Новизна технических решений защищена патентами РФ №2261914 и №2268302 «Способ получения этилового спирта и белкового концентрата».
Разработаны технические условия и технологические инструкции для производства белкового обогатителя.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2003 по 2006 гг); международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Москва, Пущино, 2004 г.); V международной научно - технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2005 г.).
Использование клейковины, белковых изолятов и концентратов в производстве продуктов питания
Учитывая специфические свойства клейковины, во многих странах ее используют для обогащения муки с пониженным содержанием белка и со слабой клейковиной, что позволяет повысить устойчивость теста при обработке (вязко - эластичные характеристики), улучшить качество готовых хлебобулочных изделий и упростить хранение муки.
Фирмой Адзиномото КК (Япония) создан новый продукт, основным компонентом которого является суспензия крахмала, которая смешивается с дисперсией растительного белка (соевый белок, клейковина муки, картофельный белок, кукурузный лютен) и высушивается. Полученный продукт приводят в соприкосновение с водным раствором органического растворителя, содержащим 90 % или меньше воды, при температуре более 60 С в течение 15 мин - 5 ч и затем снова высушивают. Конечный продукт имеет повышенную температуру набухания, лучше удерживают воду и может быть использован для приготовления пастообразных пищевых продуктов.
Японская фирма Киссин сэйфун ПК, обрабатывая клейковину безводной янтарной кислотой, придает ей свойства, которые широко используются при получении пенообразователя, стабилизатора пены, выработке желейных, колбасных изделий, майонезов, супов и т.д.
Белковые продукты, включая концентраты и изоляторы растительных белков, получают все болыле распространение в пищевых продуктах многих стран. Американская фирма Manila Protein Corp организовала промышленное производство белкового изолята пшеницы (белок 92 %), который обладает иными свойствами по сравнению с клейковиной и другими белковыми изо-лятами. Он обладает также эмульгирующими и пенообразующими свойствами и является перспективным для пищевой промышленности.
В НПО по крахмал о продуктам разработана технология получения крахмала и белкового концентрата из пшеничной муки, преимущественно низкого хлебопекарного качества. Концентрат испытан с положительной оценкой в ряде отраслей пищевой промышленности. За рубежом он находит широкое применение и частично заменяет клейковину [15, 107, 163, 185].
Повышение биологической ценности продуктов питания - одна из важнейших задач специалистов различного профиля. В последние годы стремятся увеличить в хлебобулочных изделиях содержание лизина как основного фактора, лимитирующего биологическую ценность белка зерновых культур. Одновременно становится задача обогатить хлеб витаминами, насыщенными жирными кислотами, а также балансными веществами, необходимыми для нормального обмена веществ. Ниже дано краткое общее представление об основных группах диетических изделий (ГОСТ 25832—89),
Бессолевые хлебобулочные изделия рекомендуются для включения в рацион больных с заболеваниями почек, сердечно-сосудистой системы, больных гипертонией и лиц, находящихся на гормонотерапии. В эту группу включены хлеб ахлоридный (без соли, из пшеничной муки 1 сорта); хлеб бессолевой обдирный (из ржаной обдирной муки); сушки бессолевые и сухари ахлоридные (из пшеничной муки 1 сорта). Хлебобулочные изделия с пониженной кислотностью рекомендуются больным гиперацидным гастритом и язвенной болезнью. В данную группу входят булочки и сухари с пониженной кислотностью (из пшеничной муки 1 сорта). Хлебобулочные изделия с пониженным содержанием углеводов рекомендуются больным сахарным диабетом, при ожирении., а также остром ревматизме. В эту группу включены хлеб белково-пшеничный, хлеб белково-отрубтиой и др. Хлебобулочные изделия с пониженным содержанием белка (безбел-ковые изделия) рекомендуются для питания больных с хронической почечной недостаточностью и при других заболеваниях с нарушением белкового обмена (фенилкетонурия и пр.). Поскольку эти больные нуждаются и в ограничении натрия, соль в эти изделия не добавляется. К этой группе относятся хлеб безбелковый бессолевой и хлеб безбелковьтй из пшеничного крахмала. Хлебобулочные изделия с повышенным содержанием пищевых волокон рекомендуются при атониях кишечника и пожилым людям, если это не противопоказано им по другим причинам. К этой группе относятся хлеб барвихинский и хлеб Зерновой, хлебцы докторские и др. Хлебобулочные изделия с добавлением лецитина или овсяной муки, рекомендуются при атеросклерозе, ожирении, заболевании печени, нервном истощении. В эту группу включены хлебцы «Геркулес», хлебцы диетические отрубные с лецитином. Хлебобулочные изделия с повышенным содержанием йода диетические отрубные хлебцы с добавлением лецитина и морской капусты, Соловецкий хлеб - рекомендуются в лечебном питании при заболевании щитовидной железы, сердечнососудистой системы, а также в профилактическом питании в пожилом возрасте [29, 63, 115]. Широкое применение растительные белки находят не только в пищевой промышленности, но и в медицине и косметологии. Так, белки пшеницы являются компонентом шампуней, выпускаемых фирмой Herbal. Так, шампуни Herbal Aloe Everyday Conditioner содержит растительную смесь белка пшеницы, крапивы, календулы и подсолнечника, которая поможет вернуть волосам их натуральную красоту и блеск. Последние годы появились многочисленные исследования, свидетельствующие о роли растительных белков в профилактике онкологических заболеваний, отмечаются их тормозящее воздействие как ыа формирование опухолей, так и на их рост и метастазирование. По мнению некоторых авторов, 10-70 % всех злокачественных новообразований связано с погрешностями в диете. Повышение риска онкологических заболеваний обусловлено в первую очередь злоупотреблением животной пищей и недостатком в рационе овощей и фруктов. Аргинин укрепляет иммунную систему, что полезно высококвалифицированным спортсменам, испытывающим большие нагрузки и ищущим природные способы защиты от инфекций. Кроме того, аргинин находит весьма специфическое применение при изготовлении средств для ращения волос. Гистидин, в противоположность прочим аминокислотам, почти на 60 процентов всасывается через кишечник. Он играет важную роль в метаболизме белков, в создании красного вещества крови - гемоглобина, синтезе красных и белых кровяных телец, является одним из важнейших регуляторов свертывания крови. Повышенное потребление цисти на ускоряет восстановление после операций, ожогов, укрепляет соединительные ткани. Цистин может синтези 33 роваться организмом из метионина; совместный прием обеих аминокислот усиливает липотропные свойства последнего. Тирозин необходим для нормальной работы надпочечников, щитовидной железы и гипофиза, создания красных и белых кровяных телец. Алании может быть сырьем для синтеза глюкозы в организме. Это делает его важным источником энергии и регулятором уровня сахара в крови. Аспарагиновая кислота играет большую роль в метаболизме энергии, так как способствует превращению углеводов в глюкозу и последующему запасанию гликогена. Глютамин, образующий в мозгу глютаминовую кислоту, улучшает краткосрочную и долгосрочную память, способность к сосредоточению. Глютаминовая кислота способна присоединять аммиак, превращаясь в глютамин, и переносить его в печень, где затем образует мочевину и глюкозу. Глицин очень важен для создания соединительных тканей; в анаболической фазе потребность в этой аминокислоте повышается. Глицин выполняет буферную роль в клетках, препятствуя временному снижению кислотности. Пролин крайне важен для суставов и для здорового сердца.
Экспериментальная установка для выделения и концентрирования белковых фракций спиртовой дробины
Экспериментальный плоскорамный мембранный модуль (рис.11) состоит из нижней / и верхней 2 прижимных пластин, пакета пластин 3, прокладок 4, стягиваемых болтами 5. Каждая пластина пакета содержит щелевые проточки 6 для отвода фильтрата, уложенную тканевую подложку 7 и мембрану 8, а также переточный канал 9 для циркуляции разделяемого раствора.
Мембрана удерживается на пластине при помощи фиксаторов 10 и прокладок 4. Разделяемый продукт подводится через штуцер У/, образующиеся фильтрат и концентрат отводятся через штуцеры 12 и 13 соответственно. Рабочее давление в аппарате контролируется манометром 14, установленным на верхней прижимной пластине /. Исследования проводились в следующем порядке. Вначале напорная емкость 9 заполнялась продуктом, после чего тумблером б осуществляли включение источника постоянного тока. Затем кнопкой 4 включали насосный блок 7, отмечая при этом правильность направления вращения ротора 8. В противном случае нажатием кнопки 3 останавливали насос и тумблером 5 переключали направление вращения ротора 8 на реверсивное. Вентили 19 и И при этом были открытыми.
После того, как из системы был вытеснен воздух, плавно закрывали вентили 19 и 11, устанавливая при этом подачу насоса и величину рабочего давления, при которых осуществлялся процесс разделения. Образующийся фильтрат скапливался в мерном цилиндре 15, по объему фильтрата определяли пропускную способность исследуемых мембран.
В работе использовали ультрафильтрационные мембраны первого поколения, изготовленные из полимеров ацетатцеллюлозы. В нашей стране наиболее распространены ультрафильтрационные мембраны первого поколения «Владипор» марки УАМ, выпускаемые по ТУ 6-05-221-399-79 в виде листов шириной 0,5... 1.0м. [1.16] Основные параметры ультрафильтрационных мембран «Владипор» марки УАМ приведены в таблице 16 [2, 13, 117]. Выделение белкового комплекса осуществляли следующим образом: вначале 100 г измельченного зерна пшеницы помещали в колбу на 500 мл, смешивали с водой при температуре 60...65 С из соотношения 1:3. Измельчение зерна осуществляли на двух дробилках. Проход помола через сито диаметром 1 мм после прохождения первой дробилки составлял 50 %, а после второй 100 %. Затем зерно просеивали через четыре сита и получали помолы с различной степенью измельчения: диаметр частиц первого, второго, третьего и четвертого помолов соответственно: 1мм, 0,5мм, 0,25мм, 0,25мм. После смешивания зерна с водой вносили ферментный препарат Тер-мамил 120Л из расчета 0,4 ед/г крахмала. Замес выдерживали 10...12 мин при температуре 50... 55 С при периодическом перемешивании. На этой стадии происходило разжижение крахмала и растворение сухих веществ. После чего замес выдерживали в течение 1 ч при температуре 60...65 С, при этом происходит дальнейшее растворение крахмала и сухих веществ за счет действия а-амилазы. Ферментативную обработку замеса проводили в одну стадию при температуре 90... 95,5 С в течение 30 мин. Стерилизованную массу охлаждали до 56...58 С и затем осахаривали ферментным препаратом Сан-Супер 240Л из расчета 3,3 ед/г крахмала в течение 30 мин. После 10... 15 минут осахаривания в сусло вносили протсолитические ферментные препараты. Сусло выдерживали 10...20 мин при температуре 53...56 С, затем разделяли на твердую (спиртовую дробину) и жидкую (осветленное сусло) фазы на центрифуге ЛЗ - 301 . Режим центрифугирования: продолжительность 10 мин, скорость вращения 4500 об/мин. Осветленное сусло направляли на брожение. Далее дробину подвергали промывке с целью получения белкового комплекса, для чего ее смешивали с водой в соотношении 1:5. Полученный раствор центрифугировали в течение 20 мин при 4500об . Для определения и оптимизации параметров и условий получения белкового комплекса исследовали влияние некоторых технологических параметров при производстве сусла на содержание в нем белка и сухих веществ. При этом определяли оптимальную температуру и продолжительность разваривания, дозировки разжижающих и осахаривающих ферментных препаратов, а также степень измельчения помолов. Полученные данные необходимы для разработки технологии, для расчета материальных балансов, а также определения эффективности на стадиях получения белкового комплекса. К основным факторам, оказывающим влияние на процесс получения сусла с высоким содержанием белка, относят фракционный состав получаемых в процессе дробления помолов, а также режимы водно-тепловой обработки сырья и осахаривания.
Влияние различных дозировок «Нейтразы» на динамику изменения массовой доли растворимого белка, пептидов и аминокислот, тирозина в процессе гидролиза белкового комплекса спиртовой дробины
Для определения количественного соотношения твердой и жидкой фаз на стадиях спиртового производства с помощью центрифугирования осуществляли фракционирование на компоненты в исходном, осахаренном и сбродившем сусле.
Разделение осуществляли в специальных стеклянных пробирках. Пробирки предварительно были проградуированы. Градуировка проводилась следующим образом: брали пипетку на 10 см" и постепенно по ] мл заполняли каждую пробирку, с наклеенной на ней полоской миллиметровой бумаги, следовательно, на каждой пробирке отмечали объем от 0 до 10 см3. Градуировка позволяла не высчитывать каждый раз объем той или иной фракции, а определять его значение визуально. Для более наглядного визуального наблюдения разделения фракций перед центрифугированием в пробирки с различными степенями измельчения помолов пшеницы добавляли четыре индикатора, что позволяло четко выделить образующиеся фракции. Полученные результаты представлены в таблице 25. В исходном и сброженном сусле независимо от степени измельчения пшеницы выявлены три фракции: первая фракция представляет собой наиболее плотный слой, об этом можно судить по интенсивному окрашиванию; вторая фракция представляет собой рыхлый слой, а третья фракция - это жидкость. Наличие промежуточной фракции (обьем 1 - 4 см3) между помолом и жидкостью в исходном сусле говорит о частичном вымывании белка. Объем аналогичной фракции в сбродившем сусле значительно меньше (0,2 - 0,9 CMJ), это, вероятнее всего, объясняется тем, что в процессе сбраживания белковые вещества являлись источником питания для дрожжей.
В осахаренном сусле у помолов со степенью измельчения 1 мм и 0.5 мм также было выявлено три фракции, а помолы с размерами частиц 0.25 и 0.25 мм содержат по две дополнительных фракции. фракция - самая уплотненная и интенсивно окрашенная; 2 фракция -менее уплотненная; 3 фракция: - представляет собой тонкий рыхлый слой объемом ОД CMJ; 4 фракция - ватный, практически не окрашенный слой; 5 фракция - жидкость.
Наиболее выражено наличие 4-ой фракции (белкового слоя) при использовании помолов с размером частиц 0,25 мм и 0,25 мм - 2,9 - 3,3 см , максимальный объем составил 4,5 см" при использовании комбинированного помола. В осахаренном сусле, полученном из комбинированного помола, а также из помолов 0,25 мм и 0,25 мм несколько уменьшается количество жидкой фазы, вероятнее всего белковый слой затрудняет ее проход. Видоизменение состава фракций позволяет судить о трансформации частиц с различным эквивалентным диаметром в процессе центрифугирования. В помолах с различной крупностью частиц крахмальные и белковые гранулы ведут себя специфично, как в процессе разваривания, так и в процессе осахаривания и сбраживания, что приводит к изменению фракционного состава.
С целью изучения ферментативного гидролиза в зависимости от различных дозировок разжижатощих и осахаривающих ферментных препаратов, исследовали количество белка в осахаренном сусле в твердой и жидкой фазах. Полученные данные представлены в таблице 26.
Из таблицы 26 видно, что с увеличением дозировок ферментных препаратов количество белка в твердой фазе возрастает с 11,6 % до 12,3 %, в жидкой с 1,7 % до 2,6 %. В зависимости от крупности помолов содержание белка по фазам не изменяется. Максимальное содержание белка в твердой и жидкой фазах выявлено ггри дозировке Термамила 120Л - 0,4 ед/г крахмала и Сан-Супера - 3,3 ед/г крахмала в сусле из комбинированного помола 12,7 % и 2,8 % соответственно.
Получение максимального выхода спирта с минимальным количеством примесей, образующихся в процессе брожения, является одной из основных задач спиртовых заводов.
Зрелая бражка из зернового сырья представляет собой многофазную и многокомпонентную систему. Преобладающее большинство компонентов образуется в сброженной среде как метаболиты дрожжей, часть примесей (метанол) образуется при тепловой обработке сырья; при перегонке и ректификации спирта, часть - при хранении его (ацетали, кротоиовый альдегид, эфиры). К примесным компонентам в первую очередь относятся так называемые побочные продукты: высшие насыщенные спирты, кислоты жирные, сложные эфиры, альдегиды, диацетил и ацетон.
Предлагаемая технология производства этилового спирта из осветленного осахаренного зернового сусла, получаемого по ранее приведенной технологии, по нашим предположениям позволит снизить количество основных примесей, увеличить выход спирта, перевести технологию на уровень безотходного, экологически чистого производства. Изучали основные показатели бражки, полученной из осветленного сусла в зависимости от различной степени измельчения пшеницы. Осветленное сусло получали по технологии, указанной в п. 2.6. Бродильные пробы готовились по стандартной технологии. Полученные результаты представлены в таблице 27. В зависимости от изменения крупности помола наблюдали незначительное накопление спирта в бражке. Так при использовании помола (а) и (в) концентрация спирта составила 7,2 - 7,3 % об, а при использовании комбинированного помола - 7,7 % об. Таким образом, относительное увеличение спирта в бражке составило 1,07 %. Содержание несброженных углеводов практически не изменяется в зависимости от размера частиц и составляет в среднем 0,36 - 0,38 r/100cMJ. Очевидно, в бражке из комбинированного помола поверхность контакта между активными центрами ферментов и д структурируемым и углеводами увеличивается, вследствие чего катализ расщепления высокомолекулярных углеводов до сбраживаемых Сахаров происходит более эффективно. В отгонах, полученных после перегонки, на газожидкостном хроматографе ЛХМ-80 методом внутреннего стандарта определяли количественное содержание примесей [7]. На рис. 16 приведена зависимость накопления примесей в бражке от степени измельчения пшеницы. Максимальное количество исследованных примесей накапливается в бражке, полученной из помола 1 мм. Относительное содержание примесей в бражке, полученной из помола 1мм, примерно в 2,5 раза превышает содержание примесей в бражке, полученной из других помолов.
Влияние типа мембран и продолжительности процесса ультрафильтрации на эффективность концентрирования белков различной молекулярной массы
Относительно низкая эффективность использования зернового сырья в традиционной технологии спирта предопределена особенностями «однопро-дуктовых» схем за счет неполного использования потенциальных возможностей главных компонентов зерна: углеводов и белка. Решение данной проблемы должно осуществляться путем внедрения технологий, предусматривающих комплексную переработку зерна с получением нескольких конечных продуктов.
Одним из путей эффективной утилизации белкового комплекса зерна является применение на определенных технологических стадиях протеолитических ферментных препаратов, позволяющих расщепить высокомолекулярные белковые фракции до низко и среднемолекулярпых. Проводили исследования влияния протеолитических ферментов на эффективность гидролиза белка белкового комплекса спиртовой дробины.
В качестве исходного сырья использовали помолы пшеницы с размером частиц (1 мм, 0,5 мм, 0,25 мм, 0,25 мм.) в различных процентных соотношениях. В качестве источника амилолитических ферментов использовали ферментный препарат Термамил 120Л из расчета 0,4 ед/г крахмала. Осахарива-ние осуществляли ферментным препаратом Сан-Супер 240Л из расчета 3,3 ед/г крахмала. В качестве источника ферментов протеолитического действия использовали ферментные препараты Протосубтилин ПОХ, Амилопротооризин ПОХ, «Нейтраза». Протеолитические ферментные препараты вносили на стадии осахаривания и выдерживали в течение 30 мин. при температуре 50...55 С, затем сусло разделяли на твердую (спиртовую дробину) и жидкую (осветленное сусло) фазы на центрифуге, Далее дробину подвергали промывке с целью получения белкового комплекса, для чего ее смешивали с водой в соотношении 1:5. Полученный раствор центрифугировали в течение 20 мин при 4500 об"1.
Условия гидролиза (температура и рН) корректировали в соответствии с характеристикой препаратов п. 2.2. при дозировке 5 ед. активности на 1 г белка субстрата, обеспечивающей его максимальный уровень гидролиза. Навески ферментных препаратов предварительно растворяли в 5 мл теплой дистиллированной воды.
В процессе деструкции белка определяли содержание растворимого белка по биуретовой реакции, пептидов и аминокислот по нингидриновому методу, массовую долю аминокислоты тирозина по реакции Фолина на тирозиновые и цистеиновые радикалы. По количеству тирозина, содержащегося в гидролизате, определяли количество белка, подвергшегося деструкции [97]. Так, в исходном белковом комплексе содержание растворимого белка составляло - 2,45 мг/см , суммарных пептидов и аминокислот - 11,3 мг/100 см , тирозина - 0,792 мкмоль/см" (рис Л 9).
После действия ферментного препарата «Нейтраза» содержание растворимого белка составило 8,12 мг/см" , тогда как при внесении Протосубтилина ПОХ и Амилопротооризина Г 10х этот показатель составил 6,43 и 7,32 мг/см3. Содержание пептидов и аминокислот по сравнению с контролем после применения Протосубтилина ПОХ составило 24,8 мг/100 см3, Амилопротооризина ПОХ 19,4 мг/100 см3, «Нейтразы» 33,0 мг/100 см3. Массовая доля тирозина увеличилась в 3 раза по сравнению с исходным значением и составила к концу гидро-лиза 2,45 мкмоль/см" при действии препарата «Нейтраза».
Максимальная деструкция белка в белковом комплексе спиртовой дробины до пептидов и аминокислот достигается за счет применения ферментного препарата «Нейтраза». Более полный гидролиз пептидных связей достигается в связи с тем, что «Нейтраза» относится к нейтральным протеазам, ее рН колеблется от 5,5 до 6,5, что совпадает с рН сусла, тогда как диапазон действия Ами-лопротооризина Г J Ох и Протосубтилина Г 10х составляет 4,0...6,0 и 4,8...5,5 соответственно.
Оптимальное соотношение ферментного препарата и сырья определяет необходимый выход интересугощих компонентов при гидролизе, Минимальное их соотношение выражается в разделе о кинетике ферментативных реакций как степень насыщения фермента субстратом, обеспечивающая максимальную скорость превращения исходного сырья в продукты гидролиза. Дальнейшее увеличение массовой доли препарата не ведет к дальнейшему повышению скорости катализа и приводит в производственных масштабах к неоправданному перерасходу достаточно дорогого биологического ингредиента.
Решение такой задачи требует для своей реализации постановки предварительного эксперимента по определению оптимальной концентрации ферментного препарата. Гидролиз полученного белкового комплекса осуществлял и в течение 25 мин, и через каждые 5 мин. в пробе определяли содержание растворимого белка, пептидов и аминокислот, а также массовую долю тирозина. Дозировку ферментного препарата варьировали в интервале 1 - 10 ед/г белка пшеницы. Результаты экспериментов представлены на рис. 20-24.
