Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 15
1.1. Научно-практические аспекты переработки крахмалосодержащего сырья в спиртовом производстве 15
1.1.1 Химический состав зерна и его анатомических частей 15
1.1.1.1 Структура и свойства зерновых крахмалов 16
1.1.1.2 Физико-химические свойства и структурные особенности белков пшеницы, ржи, ячменя 19
1.1.2 Способы целенаправленного изменения технологических свойств зерна 21
1.1.2.1 Теоретические основы ИК-обработки материалов 24
1.1. 2.2 Практическое использование ИК-обработки зерна 25
1.1.3 Современные тенденции переработки зерна в спиртовом производстве 27
1.1.3.1 Перспективные однопродуктовые схемы переработки зерна 28
1.1.3.1.1 Режимы механико-ферментативной обработки сырья 33
1.1.3.2 Многопродуктовые схемы переработки зерна 35
1.1.3.3 Современные подходы к оптимизации процесса сбраживания сусла 39
1.1.3.3.1 Характеристика спиртовых дрожжей, применяемых в спиртовом производстве 40
1.1.3.3.2 Факторы, влияющие на образование примесей при брожении 42
Заключение по литературному обзору раздела 1.1 44
1.2. Научно-практические аспекты переработки инулинсодержащего сырья в спиртовом производстве 47
1.2.1 Факторы, определяющие перспективность использования топинамбура в технологии этанола 47
1.2.2. Биохимический состав клубней топинамбура 48
1.2.2.1 Характеристика углеводного комплекса 49
1.2.2.1.1 Фруктозаны топинамбура 49
1.2.2.1.2 Пектиновые вещества 51
1.2.2.2 Ферментный комплекс топинамбура 52
1.2.3 Хранение топинамбура 54
1.2.3.1 Изменения в углеводном комплексе топинамбура при хранении 54
1.2.4 Сравнительная характеристика способов подготовки топинамбура к сбраживанию 56
1.2.4.1 Ферментативный гидролиз инулина топинамбура 57
1.2.5 Ферментативный гидролиз пектиновых веществ растительного сырья 59
1.2.6 Сбраживание сусла из топинамбура 62
1.2.6.1 Использование различных рас дрожжей и других микроорганизмов для сбраживания сусла из топинамбура 62
1.2.6.2 Технологические режимы сбраживания 64
Заключение по обзору литературы раздела 1.2 65
2 Экспериментальная часть 67
2.1 Материалы, методы исследований, использованное оборудование 67
2.1.1 Материалы 67
2.1.2 Методы исследований 70
2.1.3 Использованное оборудование 79
2.2 Результаты исследований и их обсуждение 81
2.2.1 Обоснование выбора основных направлений исследований 81
2.2.2 Современные подходы в оценке технологических свойств основного сырья и осахаривающих материалов спиртовой отрасли 88
2.2.2.1 Реологические характеристики 89
2.2.2.1.1 Сравнительная характеристика методов оценки прочностных свойств зерна 90
2.2.2.1.2 Исследование реологического поведения замесов 95
2.2.2.1.3 Оценка действия ферментных препаратов с термо стабильной а-амилазой на основе реологических характеристик замесов 98
2.2.3 Разработка комплексной технологии этанола и кормопродукта на основе биотехнологической предобработки зерна 104
2.2.3.1 Механические методы выделения дифференцированных фракций зерна 104
2.2.3.2 Выделение дифференцированных фракций после изменения реологических свойств зерна 108
2.2.3.3 Получение и сбраживание сусла из зерна, прошедшего стадию биотехнологической обработки 115
2.2.3.4 Разработка технологической схемы производства, нормативной документации. Расчет экономической эффективности 120
2.2.4 Разработка комплексной технологии переработки зерна на этиловый спирт и пищевые белковые продукты 124
2.2.4.1 Химический состав дифференцированных фракций зерна 124
2.2.4.2 Технологические параметры выделения белков из дифференцированных фракций 126
2.2.4.3 Получение белковых композитов из дифференцированных фракций зерновых культур 131
2.2.4.4 Биологическая ценность и функциональные свойства белковых продуктов 133
2.2.4.5 Химический состав вторичных продуктов производства белковых препаратов (композитов) 135
2.2.4.6 Получение и сбраживание сусла с использованием вторичных продуктов от производства пищевого белка 142
2.2.4.6.1 Активная кислотность сусла 142
2.2.4.6.2 Влияние химического состава вторичных продуктов от производства белка на показатели качества сусла 143
2.2.4.6.3 Исследование процесса сбраживания сусла, полученного с использованием крахмало-белкового продукта и сыворотки 147
2.2.4.7 Разработка технологической схемы производства, нормативной документации. Расчет экономической эффективности 150
2.2.5 Разработка ресурсосберегающей технологии этанола на основе ИК-обработки зерна 154
2.2 5 1 Целенаправленное изменение технологических свойств зерна при ИК-обработке 154
2.2.5.1.1 Влияние режимов ИК-обработки на биохимические характеристики зерна 156
2.2.5.1.2 Влияние режимов ИК-обработки на его реологические характеристики зерна. Разработка реологической модели 161
2.2.5.1.3 Влияние режимов ИК-обработки на микробиологические характеристики зерна 175
2.2.5.1.4 Выбор оптимальных режимов ИК-обработки пшеницы и ржи 179
2.2.5.2 Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна пшеницы 180
2.2.5.3 Режимы и технологические параметры сбраживания сусла, полученного из ИК-обработанного зерна пшеницы 184
2.2.5.3.1 Исследования кислотности сусла и бражки 184
2.2.5.3.2 Факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла 185
2.2.5.4 Разработка технологической схемы производства, нормативной документации. Расчет экономической эффективности 189
2.2.6 Научные разработки и технические решения к созданию высокоэффективных технологий переработки инулинсодержащего сырья в спиртовой отрасли 193
2.2.6.1 Исследование фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура 193
2.2.6.1.1 Анализ фракционного состава фруктозанов 195
2.2.6.1.2 Определение содержания и изучение свойств пектина и протопектина 196
2.2.6.1.3 Характеристика ферментного комплекса топинамбура 200
2.2.6.2 Разработка ресурсосберегающей технологии этанола из топинамбура 206
2.2.6.2.1 Сравнительная характеристика способов подготовки топинамбура к сбраживанию 206
2.2.6.2.2 Исследование процесса гидролиза фруктозанов топинамбура под действием собсвенных гидролаз сырья 211
2.2.6.2.3 Влияние способов асептирования на микробиологическую чистоту сусла и физиологическое состояние спиртовых дрожжей 213
2.2.6.2.4 Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура 216
2.2.6.2.5 Разработка технологической схемы производства, нормативной документации. Расчет экономической эффективности 224
2.2.6.3 Технологические аспекты создания комплексных технологий переработки топинамбура в спиртовой отрасли 227
2.2.6.3.1 Разработка общей схемы исследований и выбор оптимального варианта получения осветленного сусла из топинамбура 227
2.2.6.3.2 Применение препаратов протеолитического и цитолитического действия в технологии этанола из топинамбура 230
2.2.6.3.3 Оптимизация технологических режимов получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура 234
Выводы 235
Список литературы 238
Приложения 279
- Перспективные однопродуктовые схемы переработки зерна
- Выделение дифференцированных фракций после изменения реологических свойств зерна
- Факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла
- Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура
Введение к работе
Актуальность темы. Среди шести приоритетных научных направлений, определенных Концепцией развития науки и техники для спиртовой и ликеро-водочной отрасли на период до 2010 года, выделяют направления: «Этиловый пищевой спирт из традиционных видов сырья по новым технологиям» и «Этиловый пищевой спирт из нетрадиционных видов сырья». Такая постановка вопроса обусловлена низкой рентабельностью отечественных заводов, их большой материало- и энергоемкостью и тесной зависимостью от сырьевой базы.
В современных условиях жесткой конкуренции предприятия могут успешно работать только при условии решения экологических проблем и выпуска конечной продукции, отвечающей требованиям потребителя одновременно по двум параметрам: качество и себестоимость. Несоответствие продукции хотя бы по одному из них делает ее неконкурентоспособной.
Анализ состояния отечественной спиртовой отрасли показывает, что на данном этапе основным сдерживающим фактором существенного повышения рентабельности производства является низкая эффективность использования сырья. Поэтому решение проблемы экономии материальных ресурсов должно осуществляться путем внедрения комплексных технологий, предусматривающих переработку зерна с получением нескольких ценных конечных продуктов.
Наиболее перспективные из них основаны на разделении сырья на фракции: периферийных частей и фракцию эндосперма. Причем наибольшая часть работ посвящена технологиям с выработкой кормовых продуктов. Но, к сожалению, они в настоящее время не совершенны, так как не решен вопрос питательной ценности кормопродукта, нет способов разделения зерна на фракции, позволяющих выделить эндосперм без потерь крахмала, что обусловлено реологическими свойствами сырья. Поэтому повышение эффективности переработки зерна по данным схемам возможно путем применения способов целенаправленного изменения исходных свойств сырья и, следовательно, исследования, посвященные разработке таких способов, несомненно, актуальны и перспективны.
Другой путь использования фракций периферийных частей зерна – применение их в качестве сырья для получения пищевых белковых продуктов. Научной базой для таких технологий служат работы российских ученых (Толстогузов В., Красильников В., Браудо Е., Высоцкий В., Дудкин М., Колпакова В. и др.), создавших теоретические и практические основы выделения пищевых белков из растительного сырья, включая вторичные продукты переработки зерна.
Среди однопродуктовых схем приоритетными являются технологии, основанные на низкотемпературных способах подготовки сырья к сбраживанию, в том числе «холодного» затирания, с успехом внедренных, к примеру, в Германии. Имея несомненные преимущества, эти технологии в отечественной спиртовой отрасли имеют и свои сдерживающие их широкое внедрение факторы, в основном зависящие от исходных свойств перерабатываемого зерна.
Для решения перечисленных проблем целесообразно изменить технологические свойства исходного зерна, путем введения в схему специального способа предобработки. Обзор литературных источников показывает, что одним из перспективных может быть способ на основе ИК-обработки зерна. Однако, в спиртовой отрасли до настоящего времени он не использовался.
Другой путь повышения рентабельности производства этанола заключается в поиске альтернативных сырьевых ресурсов. Один из них топинамбур – инулинсодержащее сырье, являющееся, по мнению специалистов, одним из самых дешевых видов для спиртовой отрасли. Вместе с тем, клубни плохо сохраняются, а поэтому данный вид сырья может рассматриваться только как дополнительный. Кроме того, в отличие от зерна, топинамбур содержит повышенное количество пектиновых веществ – потенциальных источников образования метанола.
Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке ресурсосберегающих технологий этанола из топинамбура, в том числе комплексных, несомненно, актуальны и перспективны.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка ресурсосберегающих, в том числе комплексных, технологий переработки крахмало- и инулинсодержащего сырья на основе перспективных способов целенаправленного изменения исходных свойств зерна; выделения и целевого использования дифференцированных фракций; изучения фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении и сбраживании сусла.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
– сформировать современные подходы к переработке сырья спиртовой отрасли и рекомендовать новые методы для оценки его технологических свойств;
– разработать комплексную технологию этанола и кормопродукта на основе биотехнологической обработки зерна, включая исследования по:
сравнительной характеристике методов выделения фракций зерна;
определению состава фракций после изменения реологических свойств зерна и изучению процессов получения и сбраживания сусла из обработанного зерна;
– разработать комплексную технологию переработки зерна на этиловый спирт и пищевые белковые продукты (препараты или композиты) на основе:
определения параметров получения белковых продуктов из фракций зерновых культур, анализа их биологической ценности и функциональных свойств;
исследования химического состава вторичных продуктов от производства белков, изучения процессов получения и сбраживания сусла с их использованием;
– разработать технологию этанола на основе ИК-обработки зерна, для чего:
выявить влияние температур микронизации сырья и его влажности на технологические показатели зерна, на основе которых разработать реологическую модель;
установить режимы и параметры получения сусла из ИК-обработанного зерна и оптимизировать стадию сбраживания сусла;
– разработать ресурсосберегающую технологию этанола из топинамбура, включая:
исследования фруктозано-пектиназного комплекса клубней и выявления экономически целесообразных способов подготовки сырья к сбраживанию;
выбор способов асептирования сусла и установление влияния концентрации асептиков на физиологическое состояние спиртовых дрожжей;
исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура;
– разработать способ получения осветленного сусла из топинамбура, в том числе:
установить влияние обработки затора целлюлазами и протеазами на процесс;
оптимизировать технологические режимы получения осветленного сусла.
Научная новизна. На основании разработанной Концепции развития науки и техники для спиртовой отрасли предложены принципиально новые подходы к переработке крахмало- и инулинсодержащего сырья, основанные на углубленных исследованиях зависимости отдельных компонентов зерна и топинамбура, их распределении по анатомическим частям сырья, на эффективность стадий производства, выход и качество конечных продуктов.
Научно обоснована целесообразность изменения исходных технологических свойств зерна и предложены эффективные способы воздействия (биотехнологический, ИК-нагрев и др.), выявлены зависимости глубины изменений этих свойств от режимов указанных способов на структуру, состав сырья, показатели качества основного и дополнительных продуктов спиртового производства.
На основании выявленных зависимостей впервые для спиртовой отрасли предложено включить в комплекс, характеризующий зерно, реологические показатели, ответственные за структурно-механические свойства сырья, углеводно-амилазный комплекс, позволяющие выявить влияние вида зерна, его влажности, биохимического состава, способов предобработки на процесс получения сусла и бражки с позиций энергозатрат, норм внесения ферментных препаратов, качества полупродуктов спиртового производства и характеристик конечных продуктов.
Кроме разделов научной новизны, относящихся ко всему объему выполненных исследований, также:
– установлена корреляционная зависимость между фракционным и аминокислотным составами белков фракций пшеницы, ржи, ячменя, их смесей и выходом белковых продуктов, а также их биологической ценностью;
– научно обоснована перспективность приема рецикла в технологии этанола двух вторичных продуктов от выработки пищевых белков (крахмало-белкового продукта и сыворотки) и выявлено их влияние на выход и качество готового продукта;
– впервые в технологии этанола для целенаправленного изменения исходных свойств сырья использован способ ИК-обработки зерна, при обосновании режимов которого выявлено влияние влажности и температур его микронизации на изменение биохимических, микробиологических и реологических характеристик сырья;
– разработана реологическая модель, позволяющая оценить глубину изменения технологических свойств зерна в зависимости от режимов ИК-нагрева;
– впервые проведены комплексные исследования по изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении и сбраживании сусла, позволившие научно прогнозировать выбор рациональных способов переработки инулинсодержащего сырья в этанол, а именно:
– проанализировано распределение фруктозанов, пектина и протопектина по анатомическим частям клубней и проведен анализ их качественных характеристик;
– изучены инулиназы и пектинэстераза топинамбура, определены их активности и оптимальные условия действия;
– выявлен активирующий эффект ионов Са+2 на процесс самоосахаривания фруктозанов клубней под действием собственных инулиназ сырья;
– выбраны методы асептирования сусла из топинамбура и установлено влияние концентрации асептиков на микробиологическую чистоту процесса и состояние спиртовых дрожжей;
– установлена целесообразность применения технологических сред разного состава при культивировании засевных дрожжей вида S. cerevisiae на этапах их получения;
– выявлена зависимость выхода и качества осветленного сусла из топинамбура от вида и дозировок ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия и МЭК, разработанной на их основе.
Практическая ценность. Разработана комплексная технология этанола на основе нового биотехнологического способа предобработки сырья, защищенного патентом РФ № 2162103, позволяющая без снижения выхода спирта при повышении его сортности получать дополнительно высококачественный кормопродукт.
Разработана новая технология переработки зерна с выработкой этилового спирта и пищевых белковых продуктов на основе новых технических решений, защищенных патентами РФ № 2180921 и № 2210595, позволяющая интенсифицировать процесс брожения; снизить содержание в бражке на 20-30% летучих примесей; вырабатывать дополнительно белковые продукты в количестве 20-35 кг на 1 т зерна без снижения выхода этанола.
Разработана ресурсосберегающая технология этанола из ИК-обработанного зерна пшеницы, позволяющая за счет совмещения стадий водно-тепловой обработки замеса и осахаривания вывести из технологической схемы аппараты АФО-1 и АФТО-2; снизить энергозатраты за счет обработки замеса при более низких температурах; уменьшить дозировки ферментных препаратов на 20-25%; увеличить выход спирта на 0,3 дал и снизить на 20% содержание в бражке летучих примесей. Технические решения получения этанола из ИК-обработанного зерна защищены патентами РФ № 2221872, № 2265663, № 2301261.
Разработана ресурсосберегающая технология этанола из топинамбура, позволяющая снизить энерго- и материалозатраты за счет исключения из процесса стадии высокотемпературной обработки сырья; гидролиза инулина клубней под действием активированных ионами Са+2 собственных инулиназ сырья, что уменьшает содержание в бражке на 20-30% летучих примесей, в том числе в 2-3 раза – метанола.
Разработаны способы и оптимизированы технологические режимы получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура, позволяющие перевести процесс его переработки с традиционных технологий на комплексные.
Новые низкотемпературные технологии этанола из инулинсодержащего сырья защищены патентами РФ № 2144084, № 2161652, № 2301832.
Разработана техническая документация, утвержденная в надлежащем порядке:
– опытно-промышленный Регламент получения спирта высокого качества с пониженным содержанием примесей из пшеницы с отделенной некрахмалистой фракцией, ОПР 10-12999-2000;
– опытно-промышленный Регламент получения этилового спирта из зерна, подвергнутого ИК-обработке, ОПР 013-06;
– опытно-промышленный Регламент получения этилового спирта из инулинсодержащего сырья – топинамбура, ОПР 10-034-07;
– ТУ «Мука белковая из продуктов переработки зерновых культур» и ТИ на процесс.
Этапы работы апробированы в условиях: ОАО «Ключанский спиртзавод», Мичуринского, Бежецкого и «Ариана-С» спиртовых заводов.
По результатам опытно-промышленных проверок разработанных технологий рассчитана условно-годовая экономия, составляющая для завода производительностью 3000 дал/сут, в зависимости от технического решения 3,61–19,87 млн. руб.
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных в период с 1985 по 2007 годы лично автором или при его непосредственном участии в качестве руководителя диссертационных работ, а также исполнителя НИР.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на II Международном семинаре «Экология человека: проблемы и состояние лечебно-профилактического питания», Пятигорск, 1993; Международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию МГАПП, М., 1996; Международной научно-технической конференции «Приоритетные технологии в пищевой промышленности», М., 1998; III Международной научно-технической конференции «Пища.Экология.Человек», М., 1999; Международной научно-практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания – третье тысячелетие»,М.,1999; Международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии – третьему тысячелетию», Краснодар,2000;III Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию ВНИИПБТ, М., 2001; Юбилейной международной научно-практической конференции «Пищевые продукты XXI века», М., 2001; Всероссийской научно-практической конференции-выставке «Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания», М., 2002; IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и современное оборудование–важнейшие составляющие успеха экономического развития предприятий спиртовой промышленности», М., 2003; Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития пищевой промышленности России», Оренбург, 2005; III Юбилейной выставке-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», М., 2005; Международной научно-практической конференции «Рациональное использование биоресурсов в АПК», Владикавказ, 2006; VI Международной научно-практической конференции «Перспективные направления научно-технического развития спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности», М., 2007; V Юбилейной школе-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», М., 2007.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 67 публикациях, включая 6 отдельных изданий, 13 Авторских свидетельств и Патентов РФ, 48 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы из 425 наименований и 18 приложений. Основное содержание работы изложено на 278 страницах машинного текста, содержит 35 рисунков и 68 таблиц.
Перспективные однопродуктовые схемы переработки зерна
С целью повышения выхода этилового спирта из 1 т условного крахмала зерна и одновременного улучшения качественных показателей готового продукта интенсивно развивается одно из основных приоритетных направлений спиртовой промышленности - переработка зернового сырья без разваривания замеса при повышенных давлениях [197, 311, 385, 387, 401].
Одной из первых проблем, с которой сталкиваются разработчики при внедрении данных схем в производство, является должная степень подготовки сырья к водно-тепловому и ферментативному воздействию и заключается она в получении из зерна помола определенного состава. Для этих целей на предприятиях имеется измельчающее оборудование.
Наибольшее распространение на российских спиртовых заводах получили машины ударного типа (молотковые и роторные дробилки) [40, 61, 272, 314], процесс измельчения в которых происходит от удара частиц зерна о поверхность плиты корпуса. Недостатком данных машин является низкая эффективность измельчения, характеризуемая проходом через сито с d=l мм на уровне порядка 60% [310].
На некоторых заводах для получения более высокодисперсных и равномерных помолов зерно измельчают с использованием сложных комбинированных систем, включающих измельчители и просеиватели. Целый ряд авторов [121, 147, 233, 292, 295, 405] приходит к выводу, что дальнейшее повышение качества измельчения зерна требует применения принципиально новых видов и схем дробильно-размольного оборудования, в том числе с использованием дезинтеграторов, реактивных мельниц и т.д.
В ряде зарубежных стран, а также в России в технологии спиртового производства в свое время были предприняты попытки внедрения корундовых измельчителей зернового сырья [301, 312, 386], позволяющих получать помолы, 89,6-90,5% частиц которых проходят через сито с d=0,25 мм. Такой помол можно перерабатывать при пониженных температурных режимах, одновременно снизив норму дозировки осахаривающих материалов и повысив содержание этанола в бражке.
Вместе с тем, большинство технологий, отнесенных нами в эту группу имеет ряд недостатков, связанных с громоздкостью и металлоемкостью оборудования, затратами на обслуживание этого оборудования и с повышенным расходом энергии на стадии измельчения.
Другое приоритетное направление спиртовой промышленности, в рамках данной группы перспективных технологий, связано с экологическими проблемами предприятий, в частности с использованием вторичных продуктов производства, в первую очередь, послеспиртовой барды. Особенно остро проблема утилизации барды стоит для предприятий, работающих по схемам механико-ферментативной обработки сырья, т.к. последние не предусматривают специальных методов повышения микробиологической чистоты исходного фуражного зерна. Образующаяся барда «закисает» и не может быть возвращена в основной процесс. Вместе с тем известно, что по традиционной технологии получения этанола выход барды составляет 0,12 м3 на 1 дал спирта [298]. До недавнего времени значительная часть барды в нативном виде скармливалась сельскохозяйственным животным. В настоящее время ее реализация затруднена.
При разработке современных однопродуктовых схем переработки зерна в этанол предусматривают частичный или полный возврат барды в основную технологию. Так, немецкими учеными [374] показана перспективность использования барды на стадии приготовления замеса. Предложен способ производства спирта с полным возвратом барды в процесс [405]. При смешивании помола с горячей бардой (t около 100 С), устанавливается температура затора, равная 70 С, т.е. оптимальная для действия гидролаз, осуществляющих дальнейшее разжижение и осахаривание углеводов зерна. Таким образом, возврат барды обеспечивает экономию воды, необходимой для процесса затирания, и экономию тепла для нагревания затора.
Работы по возврату барды на стадию замеса, а также частично на стадию сбраживания сусла проводились и учеными нашей страны [80, 140, 245, 350]. Так, Патентом РФ [291] защищен способ получения этанола из крахмалосодержащего сырья, предусматривающий переработку шелушенного зерна. После сбраживания осахаренной массы и перегонки зрелой бражки проводят разделение послеспиртовой барды на два потока, один из которых рециркулируют на стадию тепловой обработки, смешивая его с водой и отделенным от шелухи измельченным зерном, а другой - на стадию брожения, разделяя его на потоки по количеству ферментаторов в батарее и осуществляя долив в бродящую массу каждого ферментатора в количестве 15-20% от объема сбраживаемого сусла по истечении 15-16 часов от начала процесса брожения. Способ отличается тем, что позволяет сбраживать сусло высокой концентрации до 20-25% сухих веществ за счет использования зерна без оболочек.
Большое количество публикаций посвящено применению ферментных препаратов в спиртовом производстве [68, 75, 76, 120, 122, 132, 133, 158, 202, 244, 330, 328]. Для того чтобы гидролиз крахмала прошел в полной мере необходимо присутствие трех амилаз: а-амилазы, р-амилазы и глюкоамилазы. Препараты именно этих ферментов обычно и используют в технологии спирта. Однако в последнее время просматривается тенденция к увеличению спектра ферментов, применяемых для получения сусла с целью оптимизации его характеристик. Так, широкое применение в последние годы получило и такое направление повышения эффективности переработки зерна, как использование при производстве спирта некрахмальных полисахаридов. Последние являются потенциальными источниками сбраживаемых углеводов [201, 298, 420, 425] и гидролизуются при использовании ферментных препаратов цитолитического комплекса отечественного и зарубежного производства [202, 255, 263, 276].
Причем, отмечено [276], что на степень гидролиза целлюлозосодержащего сырья оказывают влияние как его состав, способ предварительной подготовки, так и специфические особенности, входящих в препарат отдельных ферментов.
Все технологии с использованием микробных цитаз можно разделить на две группы. К первой группе следует отнести те, в которых зерно в технологический процесс поступает в размолотом виде, а ко второй -технологии дифференцированной переработки зерна.
Технологии первой группы предусматривают дополнительное введение в замес цитолитических ферментных препаратов и создание оптимальных условий для их действия. В результате гидролиза некрахмальных полисахаридов выход спирта может увеличиваться на 3-5% [58, 83, 201].
Технологии второй группы предусматривают разделение зерна перед переработкой на спирт на две фракции: фракцию периферийных частей зерновки, состоящую большей частью из некрахмальных полисахаридов и фракцию эндосперма [83, 84, 286, 290, 291]. В первой фракции проводят глубокую гидротермическую обработку сырья с последующим гидролизом некрахмальных полисахаридов под действием цитолитических ферментов. Вторую фракцию гидролизуют амилазами, после чего оба потока объединяют и направляют на брожение. Такая раздельная обработка позволяет более полно использовать некрахмальные полисахариды зерна и значительно повысить выход спирта. Недостатком данных технологий являются повышенные энергозатраты и нерешенный вопрос качества спирта.
С целью создания интенсивных технологий производства этилового спирта, специалистами ВНИИ пищевой биотехнологии, учеными МГУ разработаны мультэнзимные системы целевого назначения, учитывающие биохимический состав зерна пшеницы, ржи и ячменя [131]. Показано, что при переработке двух последних видов в состав ферментных систем наряду с а-амилазой и глюкоамилазой целесообразно вводить комплекс грибных протеаз, (3-глюканаз и ксиланаз [132].
Возможность создания подобных мультэнзимных систем реально стала возможной после наполнения отечественного рынка разнообразными ферментными препаратами отечественного и зарубежного производства.
Активно в отрасли развивается направление по использованию ферментных препаратов протеолитического действия, в качестве основного фермента в которых выступают бактериальные или грибные протеазы [481, 500]. Кроме того, к применению также рекомендуются комплексные ферментные препараты, в состав которых входят ферменты амилолитического и протеолитического действия: Амилопротооризин, Амилолихетерм, Сан Супер 240Л [258, 282].
Основная цель применения ферментных препаратов протеолитического действия в спиртовом производстве - образование низкомолекулярных азотистых соединений, источников азотистого питания дрожжей и как следствие улучшение жизнедеятельности дрожжей и интенсификация спиртового брожения.
Среди других перспективных разработок, посвященных технологиям этанола из зерна, следует отметить схемы с получением высококонцентрированного сусла [140, 167, 193], применением новых рас дрожжей [256, 260, 261], внедрением физических нетрадиционных методов обработки сырья, таких как роторно-пульсационная, ультразвуковая обработка [109, 140, 187, 278, 289, 292]. Все перечисленные технические решения рациональнее использовать для технологий, основанных на механико-ферментативном способе обработки сырья.
Выделение дифференцированных фракций после изменения реологических свойств зерна
В мукомольно-крупяном производстве для наиболее полного извлечения эндосперма применяется гидротермическая обработка зерна (ГТО) [97, 99, 136]. Под действием тепла и влаги в зерновке усиливаются различия в реологических свойствах эндосперма и оболочек. Такой технологический прием позволяет целенаправленно изменять свойства зерна в зависимости от стоящих перед технологом требований.
В спиртовом производстве метод ГТО также был применен с целью снижения потерь крахмала с выделяемой при шелушении фракцией зерна [83]. При этом необходимо отметить, что даже в этом случае содержание крахмала во фракции шелухи зерна ячменя, пшеницы и ржи составляло 7,8-12,3%.
В настоящей исследовательской работе впервые была сделана попытка применить ферментные препараты цитолитического комплекса для целенаправленного изменения реологических свойств зерновки. В задачи эксперимента входило, во-первых, увеличить различия прочностных свойств периферийных и внутренних частей зерна, что позволит снизить потери крахмала при выделении внешних слоев, и, во-вторых, провести деструкцию некрахмальных полисахаридов, которые планировалось использовать для производства комбикормов.
В первую очередь был осуществлён выбор режима обработки. Для эксперимента использовали комплексный ферментный препарат Ксилоглюканофоетидин ШОх, который содержит в своем составе, наряду с целлюлозолитическими, ферменты пектолитического, амилолитического действия и пептидазы. Характеристика препарата дана в материалах работы [209].
Препарат вносили в количестве 10 ед. основной (ксиланазной) активности на 1 г некрахмальных полисахаридов ржи. Для проведения анализа готовили раствор препарата с использованием дистиллированной воды и ацетатного буфера рН 4,7. Объём раствора ферментного препарата рассчитывали, исходя из начальной влажности зерна и конечной, варьируемой от 18 до 20%. Увлажненные образцы зерна (№1-№8) выдерживали при 20 С и при 55 С (оптимальной температуре для действия ферментного препарата) в течение 0,5-3 часов. Параллельно с опытом ставили 3 контрольные пробы: № 9, 10 - к зерну добавили расчетное количество воды и выдерживали 3 часа при 20 и 55 С соответственно; № 11 — зерно без обработки. После отволаживания зерновую массу подсушивали в сушилке воздухом температурой 75-85 С до исходной влажности. Затем осуществляли шелушение: снимали 15% наружных слоев. Во фракции шелухи определяли массовую долю свободных Сахаров и редуцирующих Сахаров после кислотного гидролиза (по методу химического определения массовой доли крахмала), во фракции эндосперма - условную крахмалистость (табл. 2.2.3.2).
Установлено, что гидротермическая обработка зерна перед шелушением незначительно увеличивает содержание углеводов во фракции эндосперма (с 60,30 до 60,98-61,14%), тогда как при внесении ферментного препарата этот показатель значительно возрастает. С увеличением времени отволаживания при 55 С закономерно повышается содержание условного крахмала в шелушенном зерне, а также массовая доля редуцирующих веществ во фракции шелухи. Последнее может свидетельствовать о дополнительном гидролизе некрахмальных полисахаридов зерна.
Наилучший результат получен при отволаживании зерна, обработанного раствором с внесением Ксилоглюканофоетидина ШОх в количестве 10 ед. Кс/1 г некрахмальных полисахаридов зерна в течение 3-х часов при температуре 55 С В этом случае условная крахмалистость фракции эндосперма составила 66,86%.
Таким образом, общая схема стадий биотехнологического способа подработки зерна перед шелушением имеет следующий вид: увлажнение зерна раствором ферментного препарата — отволаживание в течение 3-х часов при температуре оптимальной для действия ферментов — сушка до исходной влажности — разделение на фракции шелушением.
Далее было проанализировано влияние нескольких ферментных препаратов цитолитического и протеолитического действия отечественного и зарубежного производства на изменение структурно-механических свойств зерновки, которое оценивали в ходе шелушения.
Из таблицы 2.2.3.3 следует, что из используемых препаратов зарубежного производства лучшие результаты были получены при обработке зерна ржи ферментными препаратами Шеарзим 500 Л и Бирзим BG при норме дозировки 5 и 10 ед. основной (ксиланазной) активности на 1 г некрахмальных полисахаридов. В этом случае содержание условного крахмала в эндосперме возрастает с 60,30% в контроле (зерно шелушенное без обработки) до 65,64; 66,70% и 65,28; 65,19% соответственно. Следовательно, снижаются потери крахмала с отделяемой фракцией шелухи.
Анализ фракции шелухи показал, что содержание в ней свободных редуцирующих Сахаров и Сахаров после гидролиза возрастает. Поэтому можно говорить об изменении структуры некрахмальных полисахаридов (например, гемицеллюлоз, гумми-веществ), составляющих основу данной фракции, под действием ферментных препаратов, что, в свою очередь, позволяет им гидролизоваться легче, чем в необработанном состоянии. Таким образом, при использовании внешних частей зерновки в кормопроизводстве можно улучшить показатели качества комбикормов. Подтверждением выдвинутого предположения являются работы, выполненные специалистами комбикормовой промышленности и опубликованные в монографии [141].
Анализ результатов обработки зерна отечественными ферментными препаратами (табл. 2.2.3.4) показал, что наилучший эффект получен при использовании ферментного препарата Ксилоглюканофоетидин ПЮх. При норме дозировки 10 ед. основной активности Кс/1 г некрахмальных полисахаридов зерна условная крахмалистость фракции эндосперма увеличилась до 66,86%. Накопление редуцирующих Сахаров во фракции шелухи говорит о дополнительном гидролизе некрахмальных полисахаридов.
С целью теоретического обоснования изменения реологических свойств зерновки, обработанной Ксилоглюканофоетидином ПЮх при оптимальных условиях ведения процесса, была снята динамика шелушения контрольных и опытных образцов ржи. В опытных образцах пробы массой 100 г проходили стадию отволаживания после внесения в них растворов, содержащих 10-30 ед. Кс/1 г некрахмальных полисахаридов сырья.
Из данных таблицы 2.2.3.5 видно, что оптимальный результат дает обработка зерна при норме задачи препарата 10 ед. Кс/1 г некрахмальных полисахаридов сырья. В случае снятия до 15% наружных слоев шелушение идет медленнее, чем в контроле, а при снятии более 15% зерно шелушится быстрее. То есть после обработки ферментным препаратом, взятым в оптимальном количестве, наружные слои зерна уплотняются, а внутренние — разрыхляются. Такое изменение структурно-механических свойств в зерновке ржи способствует снижению потерь крахмала с шелухой. Увеличение же количества ферментного препарата на обработку зерна приводит к разрыхлению как наружных, так и внутренних слоев.
Факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла
Известно, что увеличение длительности брожения может сопровождаться развитием посторонней микрофлоры, что в целом влияет как на выход этилового спирта, так и на его качественные характеристики. Интенсифицировав процесс брожения, можно исключить либо снизить негативное влияние данного процесса. В наших исследованиях также была поставлена цель - сократить процесс сбраживания, использовав для этого увеличенный засев дрожжей и повышенную температуру брожения. В последнем случае применяли термотолерантные дрожжи расы К-81. В таблице 2.2.5.19 приведены сравнительные данные по крепости дистиллята в зависимости от используемых рас дрожжей и нормы их засева.
Установлено, что при использовании расы дрожжей К-81 в бражке накапливается от 7,41 до 7,63% об. этанола, что уступает бражке, полученной с использованием XII расы. Максимальное количество спирта обнаружено для образцов, полученных при засеве дрожжей 12,5; 15,0; 17,5 млн/см сусла.
В таблице 2.2.5.20 приведены данные по динамике накопления этилового спирта при сбраживании сусла XII расой. Установлено, что при норме засева дрожжей 12,5-15,0 млн/см сусла процесс идет с увеличением накопления спирта в бражке на протяжении всего времени исследований. При норме засева 17,5 млн. клеток на 1 см сусла максимальное накопление этанола выявлено к 66-ти часовому периоду сбраживанию. В целом, возможность получения максимальной крепости дистиллята соответствует 60-72-х часовому брожению и определяется нормой засева дрожжей.
При исследовании процесса брожения, кроме крепости дистиллята необходимо учитывать накопление в бражке вредных летучих примесей. Известно, что содержание спирта не всегда коррелирует с накоплением вредных летучих примесей в бражке.
Установлено (табл. 2.2.5.21), что качественный состав примесей опытных образцов бражки, полученных из ИК-обработанного зерна, аналогичен составу бражки из необработанного зерна, т.е. в бражках обнаружены в качестве альдегидов в основном — ацетальдегид, в качестве эфиров — этилацетат, из группы сивушных масел основными являются: 1-пропанол, изобутанол, изоамилол. Нормы засева дрожжей и продолжительность сбраживания влияют как на суммарное количество примесей, так и на их состав.
Для выявления оптимальных параметров процесса брожения полученные данные были математически обработаны с использованием метода латинских прямоугольников [23]. Составление матрицы проводится так, что каждый уровень любого фактора сочетается одинаковое количество раз со всеми уровнями остальных факторов. Подбор оптимальных параметров сбраживания пшеничного сусла представлен в таблице 2.2.5.22.
В число варьируемых факторов при оптимизации процесса сбраживания включены:
- время сбраживания (XI);
- норма задачи дрожжевых клеток (Х2).
Установлено, что максимальное содержание этилового спирта в бражке при минимальном накоплении в ней летучих примесей соответствует варианту:
- время сбраживания - 60 часов.
- норма задачи дрожжевых клеток - 15,0 млн/см сусла.
Таким образом, разработана ресурсосберегающая технология этанола из ИК-обработанного зерна пшеницы, позволяющая:
- совместить стадии водно-тепловой обработки замеса и осахаривания разваренной массы, что значительно упрощает технологический процесс;
- снизить энергозатраты при получении сусла за счет обработки замеса при более низких температурах (58-60 С, вместо пауз при 65-70 С и 95-98 С);
- уменьшить дозировки осахаривающих ферментных препаратов на 20-25%;
- увеличить выход спирта из 1 т условного крахмала сырья на 0,3 дал и снизить на 20% содержание в бражке летучих примесей.
Новое техническое решение, положенное в основу данной технологии, защищено патентом РФ № 2265663 (Вариант I).
Перспективность включения в аппаратурно-технологическую схему производства этанола из зерна аппаратов по ИК-обработке также подтверждена и исследованиями, выполненными совместно со специалистами ВНИИ пищевой биотехнологии:
- способ производства этанола, предусматривающий гидроизмельчение микронизированного зерна с использованием роторно-пульсационных установок (РПА), защищенный патентом РФ № 2221872 (Вариант II);
- способ производства этанола из ИК-обработанного зерна, включающий разделение послеспиртовой барды на твердую и жидкую фазы и использование последней для замены части воды, идущей на замес, защищенный патентом РФ №2301261 (Вариант III).
Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура
После обоснования оптимального варианта подготовки топинамбура к сбраживанию необходимо было определить расы спиртовых дрожжей, применение которых максимально удовлетворит требованиям отрасли с учетом специфики переработки нетрадиционного инулинсодержащего сырья.
В настоящее время для сбраживания Сахаров в производстве этанола применяют дрожжи вида S. cerevisiae. В зависимости от перерабатываемого сырья-крахмало- или сахаросодержащего, используют определенные расы, в том числе и термотолерантные [132, 256, 260]. Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура с использованием последних представляет особый интерес, т.к. собственные инулиназы сырья лучше работают при приближении температуры к оптимальному для их действия значению. Таким образом, в качестве объектов исследования были выбраны следующие расы дрожжей: XII, J-563 и термотолерантная.
Сравнительная характеристика способов получения засевных дрожжей
Так как сусло из топинамбура является нетрадиционным для сбраживания его спиртовыми дрожжами, применяемыми в производстве этанола, предстояло решить вопрос о привыкании дрожжевых клеток к сбраживанию инулинсодержащего сырья. В работе засевные дрожжи получали методом последовательных пересевов на разные среды, использовали:
1. Солодовое сусло
2. Смесь солодового сусла и сока топинамбура (1:1).
3. Смесь солодового сусла и гидролизата сока топинамбура (1:1).
4. Сок топинамбура.
Концентрация сусла составляла 10% СВ. Данные эксперименты были поставлены с целью изучения влияния внесения в сусло различных групп полисахаридов инулиназной природы (сок топинамбура содержит высоко- и среднемолекулярные фракции фруктозанов, в гидролизате сока, полученным из пробы сырья, прошедшего самоосахаривание, преобладают низко- и среднемолекулярные фракции). Пересев дрожжей осуществляли в две стадии.
Установлено (табл. 2.2.6.11), что оптимальным способом производства засевных дрожжей является на стадии разбраживания среда, состоящая из смеси солодового сусла и гидролизата сока топинамбура.
На стадии накопления биомассы рекомендуется тот же состав среды, для термотолерантной расы возможно использование сока из топинамбура.
Выращивание засевных дрожжей по указанным режимам способствует большему накоплению дрожжевых клеток (для XII расы до 140 млн/см против 105 млн/см для контрольного варианта), одновременно возрастает процентное содержание клеток с гликогеном.
Для мелассных дрожжей расы J-563 данные среды подходят в меньшей степени, о чем свидетельствует пониженная скорость накопления дрожжевых клеток.
Показатели качества зрелой бражки
Несмотря на значительное количество работ, посвященных вопросу производства этилового спирта из топинамбура, комплексных исследований по определению состава бражки из данного вида сырья не проводилось. Отечественные и зарубежные специалисты отмечают перспективность переработки топинамбура в этанол с точки зрения выработки его из единицы сырья, но не приводят данных о качественных характеристиках бражки и получаемого спирта. Поэтому решить вопрос о перспективности использования топинамбура для производства пищевого этанола и эффективности переработки по конкретной технологической схеме можно только после исследования качественных характеристик бражки.
Для сравнения в работе проводились эксперименты по сбраживанию сусла из картофеля, прошедшего традиционную для отрасли обработку, т.е. измельчение, разваривание, осахаривание. В данном виде сырья также, хотя и в меньшем количестве, чем в топинамбуре, содержатся пектиновые вещества.
Бражку опытных и контрольных вариантов исследовали по общепринятым показателям качества, а также по содержанию летучих примесей.
Были проанализированы следующие образцы бражки.
Серия I
К1 — контрольный образец № 1. Измельченный картофель смешивали с водой (1:0,25) и подвергали развариванию при 0,1 МПа в течение 60 мин (мягкий режим по классической технологии), затем температуру снижали до 57-58 С, задавали 2 ед. АС и 7 ед. ГлС на 1 г условного крахмала сырья и проводили осахаривание в течение 30 мин.
К2 - контрольный образец № 2. Измельченный топинамбур смешивали с водой (1:0,5), подвергали развариванию при 0,05 МПа в течение 40 мин, затем температуру снижали до 55 С, рН доводили до 4,7, вносили 5 ед. Кс/г инулина сырья Ксилоглюканофоетидина ШОх, проводили гидролиз в течение 3-х часов.
О(ф) - опытный образец № 1. Измельченный топинамбур смешивали с водой (1:0,5), нагревали до 55 С и проводили гидролиз под действием собственных инулиназ сырья, активированных ионами Са . Время гидролиза 3 часа. Асептирование сусла осуществляли 4-х процентным раствором формалина из расчета 0,75% к объему сусла.
О(н) - опытный образец № 2. Подготовка пробы аналогично Ода. Асептирование сусла осуществляли низином из расчета 1000 ед/100 см3.
Опыты Серии I проводили с применением дрожжей S. cerevisiae расы XII. Задача дрожжей для всех вариантов составляла 100 млн. клеток на 1 см сусла. При получении дрожжевой биомассы, используемой для сбраживания сусла из топинамбура (все образцы, кроме К1) процесс вели на средах, состоящих из смеси солодового сусла и гидролизата сока топинамбура. Данный состав среды, как показали ранее проведенные исследования, в наибольшей степени способствовал привыканию дрожжей к нетрадиционному для них инулинсодержащему сырью. Время сбраживания для всех образцов Серии I -60 часов, температура сбраживания 28-30 С.
Серия II
Образцы (КГ, К2 , Ода , 0(Н) ) готовили аналогично образцам Серии І. В качестве засевных дрожжей использовали термотолерантную расу. Сбраживание проводили при температуре 35-37 С в течение 48 часов.
Результаты сравнительного анализа образцов бражки (табл. 2.2.6.12) показали, что максимальное количество спирта накапливается при сбраживании сусла, не прошедшего на стадии подготовки гидротермической обработки, т.е. с сохраненной активностью собственных ферментов сырья.
Также можно отметить, что использование низина для поддержания асептики процесса, вместо применения относительно «жесткого» препарата — формалина, предпочтительнее, если сбраживание проводят при температуре 28-30 С. При прочих равных условиях концентрация спирта в бражке возрастает на 0,56% об. Однако применение низина для сбраживания сусла при повышенных температурах не эффективно. В образце бражки 0(„) снижается концентрация спирта и одновременно увеличивается массовая концентрация растворимых углеводов.
На завершающем этапе исследований с целью обоснования рациональных параметров ведения процесса осахаривания и сбраживания сусла из топинамбура образцы дистиллята бражки были проанализированы на содержание летучих примесей. Установлено, что качественный состав примесей бражки опытных образцов и контрольного, полученного при переработке картофеля, идентичен. Причем, в процентном отношении основными являются высшие спирты, т.е. топинамбур не отличается по данным параметрам от традиционных видов сырья, перерабатываемых в спиртовой промышленности. Вместе с тем, данные таблицы 2.2.6.13, свидетельствует о значительном влиянии технологических факторов на процесс их образования. Во-первых, высокотемпературная обработка топинамбура негативно отражается на качественных показателях бражки. В образцах К2 и К2Г обнаружено максимальное суммарное содержание примесей. Вероятно, под действием термической обработки в сырье идет образование соединений угнетающе действующих на спиртовые дрожжи. Одновременно происходит распад пектиновых веществ, как за счет температурного фактора, так и вследствие ферментативного гидролиза. Препарат Ксилоглюканофоетидин ШОх обладает наряду с высокими ксиланазной, глюканазной, инулиназной активностями и экзополигалактуроназной. Следствием разрушения пектиновых макромолекул является переход пектина в раствор и накопление в бражке метанола. Содержание последнего увеличивается в 2-4 раза.
Во-вторых, образование примесей в бражке зависит от способа асептирования сусла. Так, к примеру, в процессе сбраживания сусла из топинамбура, обработанного низином, при 28-30 С накапливается в среднем на 10-15% меньше примесей, чем при использовании формалина.
