Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 9
1.1 Характеристика зерна - основного сырья для производства спирта 9
1.2 Влияние способов деструкции на качественный состав зернового сусла и выход спирта 11
1.2.1 Механохимическая деструкция зерна 11
1.2.2 Термическая деструкция 14
1.2.3 Ферментативная деструкция 17
1.3 Вязкостные характеристики зерновых замесов при водно-тепловой подготовке 24
1.4 Превращение веществ и изменение свойств сырья при разваривании 26
1.5 Протеолитические ферменты. Характеристика отдельных типов протеаз 28
1.5.4 Факторы, влияющие на процесс протеолитического действия 30
1.6 Применение протеолитических ферментов в спиртовой промышленности 32
1.7 Роль аминокислот в процессе брожения 36
1.8 Влияние протеолитических ферментов на выход спирта и образование побочных продуктов 40
Глава 2. Материалы и методы исследований 42
2.1 Объекты исследований 42
2.2 Определение глюкоамилазной активности 44
2.3 Определение амилолитической активности 46
2.4 Определение протеолитической активности 46
2.5 Определение растворимых сбраживаемых углеводов в полупродуктах из крахмального сырья 47
2.6 Определение суммарного содержания сбраживаемых углеводов и нерастворенного крахмала 47
2.7 Определение массовой доли белка 47
2.8 Определение белка по биуретовой реакции 48
2.9 Определение активной кислотности 49
2.10 Определение редуцирующих веществ методом Шомодьи-Нельсона 49
2.11 Определение содержания аминного азота с нингидриновым реактивом 49
2.12 Определение аминокислотного состава 50
2.13 Определение углеводов методом тонкослойной хроматографии 50
2.14 Определение вязкости на лабораторной установке 51
2.15 Методика хроматографического анализа на содержание этилового спирта и примесей в зрелой бражке 53
Глава 3. Выбор ферментных препаратов протеаз эффективно воздействующих на белковый комплекс зерна 55
3.1 Выбор протеолитического ферментного препарата для эффективной деструкции белкового комплекса зернового замеса 55
3.2 Очистка протеолитического ферментного препарата 57
3.3 Определение молекулярной массы протеолитического ферментного препарата 58
3.4 Влияние рН и температуры на активность и стабильность фермента 60
3.5 Оптимизация условий гидролиза белкового комплекса пшеничного замеса 67
Выводы 76
Глава 4. Применение протеолитического ферментного препарата на стадии водно-тепловой обработки 77
4.1 Изучение вязкостных характеристик зерновых замесов 77
4.2 Реологические свойства замесов при затирании 78
4.2.1 Изменение вязкости зерновых замесов в зависимости от различного фракционного состава 78
4.2.2 Изучение изменения клейстеризации крахмала зерна в зависимости от температуры при различных гидромодулях 80
4.2.3 Разжижение замесов амилолитическими ферментами 81
4.2.4 Изменение вязкости зерновых замесов при различной скорости нагрева 82
4.2.5 Изменение вязкости зерновых замесов при внесении протеолитических ферментов 83
4.2.6 Изменение вязкости зернового замеса при совместном использовании а - амилазы и протеазы 85
4.2.7 Исследование изменения углеводного состава зернового замеса в процессе водно-тепловой обработки 86
4.3 Определение удельных затрат на деструкцию крахмала в процессе водно-тепловой обработки 89
Выводы 97
Глава 5. Исследование влияния протеолитического ферментного препарата на процесс осахаривания и спиртового брожения 98
5.1 Влияние протеолитического ферментного препарата на процесс осахаривания зернового сусла 98
5.2 Влияние протеолитического ферментного препарата на накопление растворимых сбраживаемых углеводов 101
5.3 Влияние сбалансированного состава зернового сусла на процесс биосинтеза дрожжевой биомассы 102
5.3.1 Влияние аминного азота на процесс биосинтеза дрожжевой биомассы 102
5.3.2 Влияние ионов фосфора на процесс биосинтеза дрожжевой биомассы 104
5.3.3 Влияние неорганического азота на процесс биосинтеза дрожжевой биомассы 105
5.3.4 Влияние количества засевных дрожжей на процесс брожения 109
5.4 Влияние продуктов протеолиза белкового комплекса на процесс брожения спиртового сусла 110
5.5 Влияние протеолитического ферментного препарата на выход и состав этилового спирта 115
Выводы 117
Глава 6. Математическая модель деструкции зернового сырья под действием амилолитических и протеолитических ферментных препаратов 118
6.1. Выбор путей синтеза модели 118
6.2. Вывод основных уравнений математической модели 121
6.3 Анализ численного эксперимента 131
Выводы 136
Основные результаты и выводы 137
Литература 138
Приложение 149
- Вязкостные характеристики зерновых замесов при водно-тепловой подготовке
- Определение молекулярной массы протеолитического ферментного препарата
- Изменение вязкости зерновых замесов в зависимости от различного фракционного состава
- Влияние неорганического азота на процесс биосинтеза дрожжевой биомассы
Введение к работе
Актуальность работы.
Создание новых ресурсосберегающих технологий без больших материальных затрат с целью интенсификации спиртового производства, снижения потерь сырья, сокращение расхода теплоэнергетических ресурсов, повышение качества и конкурентоспособности продукции является важной и актуальной задачей спиртовой отрасли.
Одним из перспективных направлений в совершенствовании технологии спирта становится рациональное использование белкового комплекса зернового сырья для покрытия дефицита аминного азота в процессе спиртового брожения и дрожжегенерации, с целью экономии крахмала и повышению выхода этанола.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы является разработка технологии получения этанола на основе применения продуктов гидролиза белкового комплекса зерна под действием протеолитического ферментного препарата, содержащего нейтральную протеазу. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
выбор протеолитического ферментного препарата для эффективного протеолиза белкового комплекса зерна, изучение биохимических характеристик протеолитического ферментного препарата;
изучение влияния протеолитического ферментного препарата на стадии водно-тепловой обработки, осахаривания, дрожжегенерации и брожения зернового сусла;
оптимизация условий проведения водно-тепловой обработки зернового замеса на основе вязкостных характеристик;
изучение аминокислотного и углеводного состава зернового замеса, сусла, бражки;
разработка математической модели процесса деструкции зернового крахмала и белка при комплексном применении амилолитических и протеолитических ферментов, определение кинетических коэффициентов процесса;
изучение влияния протеолитического ферментного препарата на накопление вторичных и побочных продуктов.
Научная новизна.
Впервые обосновано применение нейтральных протеаз в спиртовом производстве на стадии водно-тепловой обработки. Оптимизирована дозировка и условия проведения протеолиза белкового комплекса зерна.
Получены зависимости изменения вязкости зернового замеса в зависимости от внесения протеолитических, амилолитических ферментных препаратов, а также при их совместном применении.
Исследована динамика изменения углеводного состава и накопления аминного азота зернового сусла в процессе водно-тепловой обработки и осахаривания.
Определены зависимости процесса дрожжегенерации спиртовых дрожжей при использовании дополнительного неорганического питания.
Разработана математическая модель процесса деструкции зернового крахмала и белка при комплексном применении амилолитических и протеолитических ферментных препаратов и определены кинетические коэффициенты процесса.
Практическая значимость.
Осуществлен выбор ферментных препаратов, обеспечивающих необходимую степень деструкции белка зерна до аминного азота для интенсификации процесса спиртового производства.
Оптимизированы условия проведения водно-тепловой обработки зернового замеса на основе вязкостных характеристик.
Исследован углеводный и аминокислотный состав на стадии водно-тепловой обработки и осахаривания.
\
Даны рекомендации по снижению дозировки глюкоамилазы на стадии осахаривания при использовании ферментного препарата содержащего нейтральную протеазу на стадии водно-тепловой обработки.
Разработаны условия процесса дрожжегенерирования спиртовых дрожжей с применением неорганического фосфора и азота.
Разработаны оптимальные режимы получения зернового сусла на основе математической модели и методов математической статистики. Осуществлена оценка эффективности воздействия препарата нейтральной протеазы на белковый комплекс зерна.
Рассчитан экономический эффект при внедрении технологии для завода производительностью 3000 дал. а. а. в сутки - он составит 1362,7 тыс. рублей в год.
Разработана схема получения этанола на основе применения ферментного препарата нейтральной протеазы.
По результатам исследований получен патент РФ «Способ получения этилового спирта» №2281329 от 08 декабря 2004г.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались: на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2003 по 2006 г); международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Москва, ГТущиио 2004 г.); V международной научно - технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев 2005 г.).
Вязкостные характеристики зерновых замесов при водно-тепловой подготовке
Реологические свойства замесов, обычно наглядно характеризуемые изменением вязкости массы, зависят главным образом от концентрации крахмала, размера частиц дробленого зерна и скорости нагрева. При полном набухании и клейстеризации крахмала сырья вязкость замеса вырастает, он теряет текучесть и не перекачивается насосом.
При нагреве до температуры 55С степень набухания крахмала меньше, чем клейковины. При дальнейшем повышении температуры интенсивность набухания крахмала увеличивается, а клейковины -уменьшается [44, 46, 85].
В растительных клетках крахмал находится в виде зерен (гранул) овальной или многогранной формы. При нагревании в воде крахмальная гранула набухает, поглощая 25-30 кратный объем воды, она сильно увеличивается в объеме. При этом ослабляются и разрываются связи между отдельными структурными элементами гранулы, и она разрушается; происходит клейстеризация крахмала. При этом крахмальная гранула ведет себя как осмотическая ячейка, в которой роль полупроницаемой перегородки, по-видимому, играет амилопектин. В клейстере сильно набухшие цепи амилопектина переплетены, а пространства между ними заполнены растворенной в воде амилозой. Процесс клейстеризации сопровождается потерей кристаллической структуры, которая четко фиксируется на рентгенограммах нативных крахмалов.
Скорость набухания зерна различных культур неодинакова. Например, у ржи она выше, чем у пшеницы, овса, проса; медленнее всех набухает ячмень и кукуруза. Нарушение целости зерна ускоряет процесс набухания. Чем меньше размер частиц зерна, тем быстрее происходит набухание, клейстеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости замесов. В зависимости от степени измельчения зерна, свойств и концентрации крахмала в замесе устанавливают оптимальное время выдержки массы при максимальной температуре, определяемое вязкостью подваренного сырья.
На начальной стадии разваривания заканчиваются процессы поглощения воды, набухания и клейстеризации, которые были начаты при подваривании. Вместе с этими процессами происходит растворение крахмала, белков, пентозанов, гексозаиов и других веществ сырья. Разрыв клеток происходит вначале в наружных слоях. Эта стадия медленного разваривания внутренних слоев продолжается в течение 40-50 мин для зерна. В конце разваривания при высокой температуре вещества, в том числе жидкий крахмал, выходят из увеличивающихся в размерах клеток в межклеточные пространства, затем в окружающую среду [84].
Для предварительного разрушения целого зерна, осуществляемого при непрерывном процессе, требуется приложить значительные механические усилия, что связано с увеличенным расходом электроэнергии. Например, при получении помола пшеницы с 95-96%-ным проходом частиц через сито с размером отверстий 1 мм расход электроэнергии на измельчение достигает 25 кВт ч/т зерна и более. Однако и при этих условиях не обеспечивается вскрытие всех клеток сырья, в связи с чем уменьшение прочности сырья остается одной из главных задач, решаемых при предварительном его нагреве (подваривании), которое проводят с целым или измельченным зерном после его смешивания с 2,5-3 кратным объемом воды [88,56,42,43].
Температура клейстеризации зависит от многих факторов: вида крахмала, размера гранул, концентрации суспензии, скорости нагрева, наличия солей и т. д. Так как в любом крахмале имеются гранулы различного размера, то правильно говорить не о точке клейстеризации, а о температурном интервале (начала и конца) клейстеризации. Температура клейстеризации у пшеничного крахмала 54-62С, ржаного 50-55С, ячменного 60-80С, кукурузного 65-75С, картофельного 59-64С. Добавление щелочи и нейтральных солей снижает, а сахара - повышает температуру клейстеризации.
При температуре 120-130С крахмал становится легкоподвижным. Наиболее полно растворение амилопектина происходит у пшеничного крахмала при 136-144С, ржаного - 121-127С, кукурузного - 146-151 С [83, 94].
При проведении водно-тепловой обработки изменяются структурно-механические свойства сырья, одновременно происходят и значительные химические превращения веществ, входящих в его состав. Ферментативному гидролизу крахмал подвергается при подваривании сырья благодаря содержащимся в нем амилазам ("самоосахаривание"), кислотному гидролизу - при разваривании в слабокислой среде. При температуре до 70С среди продуктов гидролиза преобладают сахара, при 75-80С - декстрины. Образование Сахаров нежелательно, тле. при дальнейшем разваривании под давлением они разлагаются до оксиметилфурфурола. Декстрины более устойчивы, и накопление их в сырье не приводит к заметному увеличению потерь сбраживаемых веществ.
Важное значение для снижения накопления Сахаров в замесе при подваривании измельченного зерна имеют скорость нагрева и продолжительность выдержки замеса в интервале температур 55-60С. При быстром прохождении этой зоны количество Сахаров в замесе снижается на 40-50%.
Смирнов В.А. и Сотская В.П. показали, что основной реакцией распада гексоз (фруктозы, глюкозы) в процессе разваривания является оксиметилфурфурольное разложение. Механизм этой реакции окончательно не выяснен, но известно, что оксиметилфурфурол образуется из гексоз в кислой среде в результате дегидратации трех молекул воды. Оксиметилфурфурол - нестойкое соединение, в свою очередь разлагается до левулиновой и муравьиной кислот. Часть оксиметилфурфурола конденсируется, образуя красящие вещества желтого цвета. Реакции образования из гексоз оксиметилфурфурола и его распада необратимы и протекают по кинетическому уравнению первого порядка.
В аналогичных условиях из пентоз образуется фурфурол, более стойкое соединение, чем оксиметилфурфурол. Минимальное количество глюкозы распадается при рН 3,4, фруктозы при рН 3,6 и арабинозы - при рН 2,8. Следовательно, для сохранения моносахаридов в процессе разваривания наиболее благоприятна слабокислая среда, с рН около 3,5. При этом рН разлагается от 5% (глюкозы) до 26% (фруктозы) от первоначального количества сахара. При естественном рН сырья около 6,5 разлагается около 80% глюкозы и около 90% фруктозы. По степени устойчивости в слабо кислой среде моносахариды располагаются в следующий ряд: фруктоза арабиноза глюкоза. Очевидно, что степень разложения сахара можно снизить или подкислением разваренной массы до рН около 3,5 или "смягчением" режима варки. Одновременное использование обеих факторов позволяет снизить потери фруктозы до 9%, глюкозы до 1%. При рН 3,5 крахмал сильнее гидролизуется, и при этом идет накопление глюкозы, но она в этих условиях почти полностью сохраняется [76]. Однако в практике способ подкисления не нашел пока применения в связи с тем, что требуется дополнительный расход минеральных кислот и защита варочного оборудования от коррозии.
Определение молекулярной массы протеолитического ферментного препарата
Исключительно важное значение аминокислот определяется тем, что они являются интегральной составной частью белков и ферментов. Кроме того, они играют важную роль и в технологии ферментации. С одной стороны, аминокислоты, образующиеся в результате ферментативного расщепления белков и пептидов сырья, используемого в бродильной промышленности, служит важнейшим источником азота для микроорганизмов, индуцирующих ферментативные процессы, а с другой, являются исходным материалом для образования побочных продуктов при спиртовом брожении (высшие спирты). Кроме того, некоторые аминокислоты, например, глютаминовая, находят широкое применение в пищевой промышленности [7].
В белках найдено 20 различных аминокислот, которые могут быть разделены на 4 группы: 1-аминокислоты с неполярными (углеводородными) боковыми цепями: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин; 2-аминокислоты с неионизированными, но полярными группами (например -ОН, -SH, -СО, -NH2, гетероциклы): тирозин, триптофан, серии, треонин, цистеин, цистин, метионин, аспарагин, глутамии; 3-кислые аминокислоты (аминодикарбоновые кислоты), которые наряду с карбоксильной группой, участвующей в образовании пептидной связи, содержат вторую карбоксильную группу в боковой цепи: глутамнновая и аспарагиновая кислоты; 4-основные аминокислоты (диаминомонокарбоновые кислоты), которые наряду с аминогруппой, участвующей в образовании пептидной связи, содержит дополнительную аминогруппу в боковой цепи: мезин, аргинин, гистидин [7]. Предшественником для биосинтеза аминокислот является пировиноградная кислота, промежуточное соединение хорошо известных цепей метаболизма углеводов: гликолитического, пентозофосфатного и цикла ди- и трикарбоновых кислот. Пути биосинтеза аминокислот обычно отличаются от путей их распада. Аминокислоты служат не только строительными блоками при синтезе белков, но и предшественниками многих биомолекул, выполняющих различные специализированные функции. Биосинтез большинства аминокислот постоянно регулируется по принципу обратной связи благодаря функционированию регуляторных ферментов. Более того, регулируется также синтез ферментов, катализирующих образование аминокислот в условиях, когда клетки обильно снабжаются аминокислотами из экзогенных источников, синтез этих ферментов может подавляться (репрессироваться). Обе эти формы регуляции служат выражением характерной экономичности синтеза и использования аминокислот. [35,36,42].
Биосинтез аминокислот как основных структурных единиц белка складывается из многих реакций и в первую очередь из восстановительного аминирования некоторых кетокислот с образованием соответствующих аминокислот.
Поэтому одним из главных звеньев ассимиляции минеральных форм азота является реакция восстановительного аминирования соответствующих кетокислот. В связи с этим ключевым этапом азотного обмена дрожжей является синтез глютаминовои и аспарагиновои кислот, а также аланина и образования при этом ос-аминогрупп непосредственно из аммиака.
Катализируют эти реакции ферменты, называемые дегидрогеназами аминокислот. Из них важнейшими ферментами азотного обмена являются глютаматдегидрогеназа, аспартатдегидрогеназа. Дрожжевые клетки в состоянии не только синтезировать аминокислоты из неорганических азотистых соединений, но и потреблять их в готовом виде. До недавнего времени считали дезаминирование основным способом использования азота аминокислот. Однако оказалось, что это не единственный путь превращения аминокислот. Экспериментально установлено, что при культивировании дрожжевых клеток на питательной среде, содержащей полную смесь аминокислот, происходит их прямая ассимиляция [36]. Хэлворсоном с соавторами установлено, что необходимые для роста дрожжей аминокислоты аккумулируются клетками очень активно [100]. Кемпнером обнаружено наличие избирательности в проницаемости и белковом синтезе. Транспорт аминокислот подчиняется тем же закономерностям, что и транспорт Сахаров, однако поступление аминокислот в клетки, как правило, идет до уровня, превышающего концентрацию их в среде [52]. Многие авторы полагают, что транспорт аминокислот в клетке носит активный характер и протекает с затратой энергии. В отличие от Сахаров в потреблении аминокислот лимитирующим фактором, вероятно, является их утилизация, а не скорость транспорта [102]. Размножение клеток протекает наиболее интенсивно на средах, содержащих смесь аминокислот. Было замечено, что в наибольшем количестве в лаг-периоде потребляются такие аминокислоты, как метионин, серии, цистеин. Указанные три аминокислоты усваиваются в лаг - периоде на 49-60 % от общего их количества, усвоенного за весь цикл развития. Другая группа аминокислот в наибольшей степени ответственна за обеспечение биосинтеза белка в процессе интенсивного размножения клеток. К этой группе относятся: лейцин, лизин, тирозин, аминомасляная кислота, глутаминовая кислота. Если эти аминокислоты в лаг-периоде усваиваются только на 18-37 %, то в экспоненциальной фазе они ассимилируются на 44-77 %. Если потребление аминокислот выразить в абсолютных значениях, то в наибольшем количестве как в лаг-периоде, так и в экспоненциальной фазе усваиваются глутаминовая кислота, фенилаланин и лейцин [7]. Рядом авторов изучено ингибирующее действие свободных аминокислот на активность протеолитических ферментов дрожжевой биомассы. Ими установлено, что аминокислоты и полипептиды, образовавшиеся в процессе автолиза биомассы пекарских дрожжей, обладают выраженным ингибирующим действием на скорость данного процесса [51].
Изменение вязкости зерновых замесов в зависимости от различного фракционного состава
В крахмалистом сырье, которое применяется для производства спирта, крахмал в виде гранул находится внутри растительных клеток и защищен клеточными стенками [40].
Для того чтобы сделать крахмал доступным для сбраживания необходимо его оклейстеризовать, растворить и гидролизовать. Это можно достичь: 1. водно-тепловой обработкой цельного сырья при повышенном давлении - развариванием, с дальнейшим ферментативным гидролизом; 2. сверхтонким механическим измельчением сырья на специальных машинах с последующей ферментативной обработкой; 3. механическим измельчением сырья до определенных размеров с последующим развариванием под давлением, охлаждением разваренной массы и дальнейшей ферментативной обработкой. Механическое измельчение является наиболее простым способом предобработки растительного сырья. Измельчение позволяет увеличить удельную поверхность материала, то есть площадь его контакта с химическими агентами или биокатализаторами. Это адекватно повышению реальной концентрации субстратов в реакционной среде и приводит к пропорциональному возрастанию скорости их превращений, в соответствии с законом действующих масс, которому подчиняются как химические, так и ферментативные реакции [97]. Необходимость предварительного измельчения сырья обусловлена тем, что смесь целого зерна с водой быстро расслаивается, поэтому в трубопровод, питающий варочный аппарат, может поступать почти одна вода. Неоднородность смеси оказывала отрицательное влияние и на результаты разваривания. Перекачивание замеса из диспергированного зерна и воды практически затруднений не вызывает. Перерабатывая измельченное сырье, можно смягчить режим варки и тем самым снизить потери сбраживаемых веществ и увеличить выход спирта [33]. Профессором Б.А. Устинниковым с сотрудниками установлена зависимость выхода спирта от среднего эквивалентного диаметра частиц сырья в режимах разваривания, оптимальных для каждой степени измельчения. Эта зависимость описывается уравнением. У = А - Всі, где У— выход спирта на 1 т крахмала для крупки данной степени измельчения, дал; А и В — коэффициенты, зависящие от вида, состояния сырья и способа его разваривания; d — средний эквивалентный диаметр частиц крупки, мм. В настоящее время в спиртовой промышленности в основном применяются для механического измельчения зерна машины ударного действия - молотковые дробилки и истирающего действия - вальцовые станки. Степень измельчения с помощью этих машин характеризуется проходом через сито с диаметром отверстий 1 мм до 60-80% зерна. Помол зерна, получаемый на молотковой дробилке, очень неоднороден: частицы менее 200 мкм - 15-25%, от 200 до 600 мкм - 25-40%, от 600 до 1000 мкм -20-30%, более 1000 мкм - 20-40%о, в том числе количество деструктурированного крахмала составляет 9-10%. В зависимости от принятой схемы водно-тепловой обработки, такой замес разваривают при температурах 140 - 170С. При этом мелкие частицы, содержащие значительное количество растворимых углеводов, перевариваются. Подвергаясь излишней тепловой обработке, они образуют значительное количество продуктов оксиметилфурфурольной и меланоидиновой реакции. Крупные частицы недовариваются, их крахмал не полностью переходит в растворимое состояние. Вследствие этого, имеют место значительные потери сбраживаемых веществ, достигающие 3-5% [40]. Двухступенчатый способ измельчения зерна сначала на молотковой дробилке, а затем на вальцевом станке или опять на молотковой дробилке с промежуточным рассевом позволяет получить более тонкий и равномерный помол. Это дает возможность смягчить условия разваривания и уменьшить потери сбраживаемых веществ. Однако использование этого способа усложняет технологическую схему, требует дополнительного оборудования и производственных площадей, увеличивает расход электроэнергии на измельчение зерна и транспортирование помола. Расход электроэнергии повышается до 31 - 33 кВт-ч/т зерна, а на молотковой дробилке он составляет только 8 - 10 кВт-ч/т. При сверхтонком измельчении сырья до размера частиц, меньшего, чем крахмальные гранулы, разрушается клеточная структура сырья и сами крахмальные гранулы. Происходит механохимическая деструкция сырья. При измельчении, затрагивающем целостность крахмальных зерен, можно проводить водно-тепловую обработку при температурах ниже 100С и увеличить выход спирта на 2- 3 дал из 1 т крахмала. В этом случае значительно снижается расход тепла, создаются безопасные условия работы, т.к. замес разваривается при атмосферном давлении. Теория механохимических процессов деструкции разработана еще недостаточно.[25]
При измельчении зерна происходит механохимическая активация составных его частей за счёт образования поверхностных и внутренних дефектов в структурных элементах, в том числе в крахмальных гранулах. Для тонкого диспергирования характерно создание большого количества дефектов, в результате чего нарушается кристаллическая решетка твердого тела. Это приводит к изменению физико-химических свойств крахмала: растворимости, степени набухания, температурного предела клейстеризации, скорости гидролиза под действием ферментов и пр. Увеличение в сотни раз площади поверхности частиц зерна при его механическом диспергировании способствует ускорению реакций, протекающих между веществами [40].
Влияние неорганического азота на процесс биосинтеза дрожжевой биомассы
При проведении водно-тепловой обработки изменяются структурно-механические свойства сырья, одновременно происходят и значительные химические превращения веществ, входящих в его состав. Ферментативному гидролизу крахмал подвергается при подваривании сырья благодаря содержащимся в нем амилазам ("самоосахаривание"), кислотному гидролизу - при разваривании в слабокислой среде. При температуре до 70С среди продуктов гидролиза преобладают сахара, при 75-80С - декстрины. Образование Сахаров нежелательно, тле. при дальнейшем разваривании под давлением они разлагаются до оксиметилфурфурола. Декстрины более устойчивы, и накопление их в сырье не приводит к заметному увеличению потерь сбраживаемых веществ.
Важное значение для снижения накопления Сахаров в замесе при подваривании измельченного зерна имеют скорость нагрева и продолжительность выдержки замеса в интервале температур 55-60С. При быстром прохождении этой зоны количество Сахаров в замесе снижается на 40-50%.
Смирнов В.А. и Сотская В.П. показали, что основной реакцией распада гексоз (фруктозы, глюкозы) в процессе разваривания является оксиметилфурфурольное разложение. Механизм этой реакции окончательно не выяснен, но известно, что оксиметилфурфурол образуется из гексоз в кислой среде в результате дегидратации трех молекул воды. Оксиметилфурфурол - нестойкое соединение, в свою очередь разлагается до левулиновой и муравьиной кислот. Часть оксиметилфурфурола конденсируется, образуя красящие вещества желтого цвета. Реакции образования из гексоз оксиметилфурфурола и его распада необратимы и протекают по кинетическому уравнению первого порядка.
В аналогичных условиях из пентоз образуется фурфурол, более стойкое соединение, чем оксиметилфурфурол. Минимальное количество глюкозы распадается при рН 3,4, фруктозы при рН 3,6 и арабинозы - при рН 2,8. Следовательно, для сохранения моносахаридов в процессе разваривания наиболее благоприятна слабокислая среда, с рН около 3,5. При этом рН разлагается от 5% (глюкозы) до 26% (фруктозы) от первоначального количества сахара. При естественном рН сырья около 6,5 разлагается около 80% глюкозы и около 90% фруктозы. По степени устойчивости в слабо кислой среде моносахариды располагаются в следующий ряд: фруктоза арабиноза глюкоза. Очевидно, что степень разложения сахара можно снизить или подкислением разваренной массы до рН около 3,5 или "смягчением" режима варки. Одновременное использование обеих факторов позволяет снизить потери фруктозы до 9%, глюкозы до 1%. При рН 3,5 крахмал сильнее гидролизуется, и при этом идет накопление глюкозы, но она в этих условиях почти полностью сохраняется [76]. Однако в практике способ подкисления не нашел пока применения в связи с тем, что требуется дополнительный расход минеральных кислот и защита варочного оборудования от коррозии.
Второй по интенсивности реакцией разложения Сахаров в процессе разваривания является образование меланоидинов. Эта реакция протекает сложным путем, и механизм ее до конца не выяснен. Среди продуктов меланоидиновой продукции найдены алифатические альдегиды, фурфурол и его производные, формальдегид, диацетил, метилглиоксаль, ацетоин и др. Реакция образования меланоидинов бимолекулярная и необратима. В настоящее время единственным путем снижения потерь сахара является смягчение режима разваривания в результате применения тонкого измельчения сырья [84, 89].
Стенки клеток и межклеточные вещества растительного сырья состоят из целлюлозы, гемицеллюлоз, гумми- и пектиновых веществ. Целлюлоза при разваривании под давлением 0,4-0,5 МПа практически не изменяется. Гемицеллюлозы картофеля и зерна, состоящие преимущественно из пентозанов, частично растворяются, частично гидролизуются до декстринов и менее высокомолекулярных соединений, вплоть до пентоз (арабинозы, ксилозы) [79, 29].
Пектиновые вещества при разваривании гидролизуются с образованием метанола. Чем жестче режим, тем больше образуется метанола, который при ректификации этилового спирта трудно отделить, т.к. температура его кипения близка к температуре кипения этилового спирта.
При температуре до 100С белки крахмалистого сырья коагулируются и частично денатурируются, вследствие чего вначале наблюдается некоторое уменьшение количества растворимого азота. При температуре 140-158С оно увеличивается, что объясняется пептизацией белков.
В процессе разваривания жиры изменяются незначительно, т.к. температура 140-158С недостаточна для расщепления глицеридов. Поэтому при разваривании образуется небольшое количество жирных кислот [29].
Субстратами для действия протеолитических ферментов являются пептиды и белки. К последним относятся простые белки, состоящие только из аминокислот, их называют протеинами, и сложные белки, в состав которых наряду с белковой частью молекулы входят соединения небелковой природы (углеводы, витамины, жиры) - протеиды. Протеиназы - вторая группа протеолитических ферментов. Протеиназы имеют 4 подкласса: сериновые, тиоловые, карбоксильные и металлосодержащие протеиназы. Все сериновые протеиназы чувствительны к специфическим ингибиторам, взаимодействующим с каталитически активным остатком серина, - диизопропилфторофосфату (ДИФ), фенилметилсульфонилфториду (ФМСФ) и некоторым ингибиторам микробного, животного и растительного происхождения. Эти ингибиторы подавляют их каталитическую активность. Следует отметить, что существуют количественные различия в действии тех или иных ингибиторов на различные ферменты этой группы. Так, скорость и степень подавления активности (ингибирования) ДИФ различных протеаз может быть различной. Многие сериновые протеиназы, чувствительные к ДИФ, не подавляются ФМСФ. Другой, достаточно общий признак сериновых протеаз тот, что большинство их функционирует в нейтральной или слабощелочной среде. Однако такие же ферменты есть среди металлосодержащих протеаз. [22,23]
Среди сериновых амидгидролаз встречаются ферменты относительно небольшой молекулярной массы (12-25 кДа), а также сложные, построенные из многих субъединиц ферменты (500-600 кДа). Среди этих ферментов встречаются и такие, которые чувствительны не только к ДИФ, но и к реагентам на тиоловую группу.
