Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 16
1.1 Обзор современного состояния проблемы контроля производства этилового спирта и спиртных напитков 16
1.1.1Характеристика и методы контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта 16
1.1.2 Характеристика и методы контроля технологических процессов производства спиртных напитков 38
1.2 Современное аналитическое оборудование и новые возможности контроля процессов производства этилового спирта и спиртных напитков 49
1.3 Информационные технологии в испытательных лабораториях 60
1.4 Новые принципы и подходы к производственному контролю качества и безопасности пищевой продукции 65
1.5 Заключение по обзору литературы 67
Экспериментальная часть
ГЛАВА 2 Материалы и методы исследования 69
2.1 Объекты исследований 69
2.2 Методы исследований 69
2.3 Используемое аналитическое оборудование 73
2.4 Структурная схема исследований 74
Результаты исследований и их обсуждение
ГЛАВА 3 Системный анализ объектов и стадий технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков 76
ГЛАВА 4 Исследование биотехнологических процессов производства этилового спирта 81
4.1 Разработка методики определения ионного состава продуктов, полупродуктов и отходов спиртового производства методом капиллярного электрофореза 81
4.2 Применение разработанной методики в контроле
биотехнологических процессов спиртового производства 89
4.2.1 Исследование ионного состава технологической воды, зерновых замесов и отходов спиртового производства 89
4.2.2 Исследование ионного состава питательной среды в процессе генерации спиртовых дрожжей с осмофильными свойствами 94
4.2.3 Исследование внутриклеточного ионного состава биомассы дрожжей Saccharomyces cerevisiae р.985-Т и р.1039 96
4.2.4 Исследование изменения ионного состава зернового сусла и бражки в зависимости от применяемых комплексов ферментных препаратов в процессе микробной конверсии полимеров зерновогосырья 101
4.2.5 Исследование ионного состава биомассы гриба Aspergillus oryzae 106
4.3 Разработка методики определения летучих органических примесей в бражке из пищевого сырья методом газовой хроматографии 108
4.3.1 Исследование возможности применения разработанной методики в контроле технологических процессов на стадии брожения 114
4.3.2 Исследование состава метаболитов дрожжей Saccharomyces cerevisiae при сбраживании концентрированного зернового сусла, обработанного ферментами различной субстратной специфичности
4.4 Разработка методики определения содержания летучих органических примесей в этиловом спирте-сырце из пищевого сырья методом газовой хроматографии и ее применение в контроле технологических процессов 119
4.5 Разработка методики определения массовой концентрации летучих азотистых оснований в спирте этиловом из пищевого сырья методом капиллярного электрофореза и ее апробация 126 CLASS ГЛАВА 5 Исследование технологических процессов производства спиртных напитков 132 CLASS
5.1 Разработка методики определения ионного состава водок, водок особых и воды для их приготовления методом капиллярного электрофореза 132
5.2 Применение разработанной методики в контроле технологических процессов производства алкогольной продукции 137
5.2.1 Исследование ионного состава воды в процессе водоподготовки.. 137
5.2.2 Исследование содержания органических кислот в водках 144
5.2.3 Исследование ионного состава готовой продукции 147
5.2.4 Новые возможности выявления фальсификаций 149
5.2.5 Внедрение разработанной методики на предприятиях отрасли 151
5.3 Разработка методики определения объемной доли метилового спирта в спиртных напитках и ее реализация в контроле качества и безопасности алкогольной продукции 155
ГЛАВА 6 Совершенствование контроля и регулирования технологических процессов производства алкогольной продукции 164
6.1 Управление технологическими процессами производства с применением информационных технологий 164
6.2 Разработка комплексной системы контроля и регулирования всех стадий технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков 168
6.3 Внедрение разработанной системы на предприятиях отрасли 179
Заключение 185
Основные результаты и выводы 189
Список основных сокращений 193
Список использованной литературы
- Современное аналитическое оборудование и новые возможности контроля процессов производства этилового спирта и спиртных напитков
- Используемое аналитическое оборудование
- Исследование ионного состава технологической воды, зерновых замесов и отходов спиртового производства
- Разработка комплексной системы контроля и регулирования всех стадий технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков
Введение к работе
Актуальность работы. Современный уровень развития биотехнологий требует разработки инновационных способов глубокой переработки сырья, эффективного использования побочных продуктов, применения современных методов контроля технологических процессов производства и использования информационных технологий. В полной мере это относится и к производству алкогольной продукции.
Для обеспечения выпуска безопасной для человека продукции с заданными качественными характеристиками необходим новый комплексный системный подход к контролю и регулированию технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков, основанный на принципе предупредительного выявления нарушения технологических режимов на всех стадиях производства, своевременного принятия мер с целью стабилизации процесса и выявлению фальсификаций.
Существующие в лабораторной практике методы анализа, к сожалению, не способны в полной мере обеспечивать глубину, оперативность и объективность контроля, что значительно усложняет проведение научных исследований в области оптимизации биотехнологических процессов производства, изучения состава биосинтетичеких сред и продуцентов их конверсии, метаболизма спиртовых дрожжей, их потребности в минеральных веществах и роли в биохимических процессах биотрансформации зернового сырья. В этой связи особенно актуальной становится задача разработки и внедрения новых экспресс-методов дифференцированного определения качественного и количественного состава продуктов и полупродуктов, образующихся в процессе микробной и биокаталитической конверсии используемого зернового сырья.
Комплексная программа развития биотехнологий в РФ на период до 2020 года
предусматривает разработку интегральных систем мониторинга, управления, контроля,
прослеживания безопасности и качества продуктов и полупродуктов, образующихся на
всех этапах производства. Создание научно-обоснованной системы контроля и
регулирования технологических процессов производства спирта и спиртных напитков
позволит регулировать процессы ферментативного гидролиза полимеров
перерабатываемого сырья для повышения качества зернового сусла, спиртового брожения, выявлять этапы образования основных метаболитов и вторичных примесей и причины их возникновения, а так же получить наиболее полную информацию о химическом составе готовой продукции и вторичных сырьевых ресурсов.
Возможность управления биотехнологическими процессами позволит
интенсифицировать производство, обеспечить эффективную конверсию
перерабатываемого сырья, повысить качество создаваемой продукции. Кроме того, своевременность и необходимость разработки новой системы контроля подтверждается потенциалом ее использования при реализации систем менеджмента качества и безопасности алкогольной продукции, основанных на принципах ХАССП.
Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в становление и развитие теории и практики производства алкогольной продукции внесли российские ученые Агафонов Г.В., Алексеев В.П., Богданов Ю.П., Бурачевский И.И., Гернет М.В., Климовский Д.Н., Крикунова Л.H., Коновалов С.А., Леденев В.П., Малченко А.Л., Мальцев П.М., Поляков В.А., Перелыгин В.М., Пыхова С.В., Римарева Л.В., Серба Е.М., Стабников В.Н., Степанов В.П., Устинников Б.А., Фертман Г.И., Харин С.Е., Цыганков П.С., Яровенко В.Л. и др.
Исследования, связанные с обеспечением контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков, отражены в работах А.М. Муратшина, В.А. Полякова, Г.В. Полыгалиной, А.П. Рухлядевой, Л.В. Римаревой и др. ученых. Однако, недостаточная разработанность современных инструментальных экспресс-методов определения состава сложных многокомпонентных биологических сред значительно сдерживает возможности проведения научных исследований по управлению и оптимизации технологических процессов производства, обеспечению контроля качества и безопасности алкогольной продукции и требует новых разработок в этой области, что и предопределило выбор темы и направление исследований.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Планом фундаментальных и
приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на
2006-2010гг. и 2011-2015гг. Россельхозакадемии по темам № 10.01.01 «Разработать
высокоэффективные методы контроля безопасности, качества и генной
модифицированности сельскохозяйственного сырья, применяемых компонентов и пищевых продуктов»; № 10.01.02 «Разработать системы интегрального мониторинга безопасности и качества продовольственного сырья и пищевых продуктов и их оборота»; с государственным заданием по Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. (утв. распоряжением Правительства РФ от 03.12. 2012 г. № 2237-р) по теме № 0529-2014-0106 «Разработать методологию контроля сырья, полупродуктов, готовой продукции и систему прослеживаемости технологических процессов производства спирта и ликероводочных изделий на основе высокоэффективных инструментальных методов анализа с целью оперативной управляемости процессами, обеспечения безопасности и качества продукции».
Цель и задачи исследований. Цель - разработка научно-практических основ
комплексной системы контроля и регулирования технологических процессов
производства этилового спирта и спиртных напитков с использованием современного
аналитического оборудования, высокоэффективных инструментальных методов анализа
и информационных технологий для обеспечения выпуска безопасной для человека
продукции с заданными качественными характеристиками. Для достижения
поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести системный анализ информационного представления объектов и процессов, необходимых для выявления новых подходов и методов в системе управления технологическими процессами производства алкогольной продукции.
Разработать модель мониторинга технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков, обеспечивающую оперативный и достоверный контроль.
Разработать, апробировать и внедрить на предприятиях отрасли высокоэффективные методики для контроля основных стадий биотехнологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков с использованием современного аналитического оборудования, методов газовой хроматографии, капиллярного электрофореза и реализовать в Комплексной системе контроля:
- методику определения массовой концентрации катионов, анионов неорганических и
органических кислот в замесах, сусле, бражке, питательных средах, в барде, лютерной воде, сточных
водах, в воде, поступающей на спиртовое производство с одновременным определением ее
жесткости, для контроля всех стадий технологических процессов спиртового производства;
- методику определения летучих органических примесей в бражке из пищевого сырья
для контроля процессов брожения и изучения метаболизма спиртовых дрожжей;
методику определения содержания летучих органических примесей в этиловом спирте-сырце из пищевого сырья для оптимизации параметров технологических процессов при модернизации и разработке новых аппаратов БРУ;
методику определения массовой концентрации летучих азотистых оснований в этиловом спирте, ректификованном из пищевого сырья, оказывающих существенное влияние на органолептические показатели;
методику определения ионного состава водок, водок особых и воды для их приготовления для контроля технологических процессов ликероводочного производства на стадиях водоподготовки; приготовления сортировки, готовой продукции и в процессе хранения;
методику определения объемной доли метилового спирта в спиртных напитках для выявления опасной для жизни и здоровья человека продукции.
Применить разработанные методики при проведении фундаментальных
исследований процессов метаболизма спиртовых дрожжей и биокаталитической конверсии зернового сырья:
- исследовать ионный состав биомассы Saccharomyces cerevisiae р.985-Т и р.1039 и
биомассы микромицета Aspergillus oryzae 12-84;
- исследовать ионный состав питательной среды в процессе генерации спиртовых
дрожжей S. cerevisiae р.985-Т и р.1039;
- исследовать изменение ионного состава зернового сусла и бражки в зависимости от
применяемых комплексов ферментных препаратов;
- исследовать состав метаболитов дрожжей S. cerevisiae при сбраживании концентрированного зернового сусла, обработанного ферментами различной субстратной специфичности.
Разработать Комплексную систему контроля и регулирования технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков (КСК) и реализовать ее в промышленности.
Научная концепция заключается в комплексном решении проблемы контроля и регулирования биотехнологических процессов производства этилового спирта и
спиртных напитков с использованием современного оборудования, высокоэффективных инструментальных экспресс-методов анализа и информационных технологий.
Научная новизна работы. В соответствии с выдвинутой научной концепцией теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены новые подходы к созданию научно-практических основ Комплексной системы контроля и регулирования технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков.
Разработаны новые способы, подходы и методы для дифференцированного определения состава сложных биологических сред с использованием методов газовой хроматографии и капиллярного электрофореза. Получены новые экспериментальные данные по составу основных и вторичных продуктов спиртового брожения и спиртных напитков.
Впервые исследован ионный состав биомассы спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae р.985-Т и р.1039 и биомассы микромицета Aspergillus oryzae 12-84 - продуцента комплекса протеаз и -амилазы. Установлена зависимость ионного состава биомассы осмофильных рас спиртовых дрожжей от их генетической принадлежности и концентрации питательной среды. Выявлена возможность использования остаточной биомассы S. cerevisiae и A. oryzae в технологиях пищевых добавок, позволяющих регулировать минеральный состав питания.
Установлены различия в метаболизме промышленных рас спиртовых дрожжей с термотолерантными и осмофильными свойствами. Выявлена зависимость изменения метаболизма дрожжевых клеток от состава исходной среды, сопровождаемая снижением образования побочных метаболитов и повышением уровня синтеза целевого продукта -этилового спирта в процессе биокаталитической конверсии зернового сусла.
Разработана Комплексная система контроля и регулирования технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков с использованием современного аналитического оборудования, высокоэффективных инструментальных экспресс-методов анализа и информационных технологий для управления всеми стадиями технологических процессов биокаталитической и микробной конверсии зернового сырья и технологических процессов производства спиртных напитков, обеспечивающая выпуск безопасной для человека продукции с заданными качественными характеристиками.
Теоретическая и практическая значимость. Научно обоснована, разработана,
экспериментально подтверждена и реализована в промышленности КСК, обеспечивающая оперативный и достоверный контроль и регулирование технологических процессов в целях выпуска безопасной продукции с заданными свойствами.
Разработаны высокоэффективные, экспрессные методики с применением методов газовой хроматографии, капиллярного электрофореза для определения химического состава полупродуктов и продуктов, образующихся на различных стадиях технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков, способные обеспечить оперативный контроль технологических процессов производства алкогольной продукции и в 10-15 раз сократить время на проведение анализов, в 3-5 раз расход реактивов.
Методики использованы при внедрении ресурсосберегающей технологии глубокой переработки зернового сырья на спирт, что позволило обосновать подбор комплекса ферментных препаратов, рас дрожжей S. cerevisiae, минимизировать образование побочных метаболитов, повысить качество и безопасность целевого продукта.
Методики применены для выявления возможности использования биомассы микромицета A. oryzae и биомассы дрожжей S. cerevisiae в технологиях пищевых добавок, позволяющих регулировать минеральный состав питания.
С использованием разработанной методики определения ионного состава спиртных напитков экспериментально подтверждено, что ионный состав водок является характерным для каждого отдельного предприятия отрасли, что имеет большое значение для борьбы с фальсифицированной продукцией.
Разработана и внедрена нормативная документация: 4 межгосударственных и 2 национальных стандарта: ГОСТ Р 55761-2013 «Замесы, сусло, бражка из пищевого сырья. Определение массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза», ГОСТ Р 55792-2013 «Бражка из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения содержания летучих органических примесей», ГОСТ 31684-2012 «Спирт этиловый-сырец из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения содержания летучих органических примесей», ГОСТ 31810-2012 «Спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья. Определение массовой концентрации азотистых летучих оснований методом капиллярного электрофореза», ГОСТ 31724-2012 «Водки, водки особые и вода для их приготовления. Определение массовой концентрации катионов, аминов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза», ГОСТ 33833-2016 «Напитки спиртные. Газохроматографический метод определения объемной доли метилового спирта».
Разработаны и защищены патентами: способ определения примесей летучих азотистых оснований в промежуточных продуктах спиртового производства, этиловом спирте и алкогольных напитках (патент РФ № 2320973); рабочий электролит для определения капиллярным электрофорезом ионного состава жидких сред (патент РФ № 2315299); способ определения ионного состава жидких сред (патент РФ № 2313781).
Разработаны специализированные программные комплексы ПК «С2Н5ОН-аналитик» и ПК «КЭФ» для автоматизации обработки результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции, получено 10 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Комплексная система контроля и регулирования технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков внедрена на 5 предприятиях отрасли: ОАО «Иткульский спиртзавод» (Алтайский край), ТОО «Алкопищепром» (Казахстан), ООО «Ракурс» и ООО «Орфей» (г. Владикавказ), ООО «Новокузнецкий ЛВЗ» (г. Новокузнецк).
Полученные научно-практические результаты, разработанная методическая и нормативная документация, другие материалы диссертационной работы используются в учебных
программах для семинаров по повышению квалификации сотрудников испытательных лабораторий спиртовой и ликероводочной промышленности, проводимых во ВНИИПБТ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Модель мониторинга технологических процессов производства спирта и спиртных напитков для выявления и предотвращения нарушений, влияющих на качество и безопасность целевого продукта.
Разработанные высокоэффективные методики дифференцированного определения
состава продуктов и полупродуктов, образующихся на различных стадиях
биокаталитических и биосинтетических процессов переработки зернового сырья в производстве этилового спирта и спиртных напитков.
Новые экспериментальные данные о составе продуктов, полупродуктов и отходов спиртового и ликероводочного производства.
Комплексная система контроля и регулирования технологических процессов
производства этилового спирта и спиртных напитков с использованием
высокоэффективных инструментальных экспресс-методов анализа и информационных технологий, обеспечивающая выпуск безопасной для человека продукции с заданными качественными характеристиками.
Методология и методы исследования. Методологическая основа исследования включает комплекс общенаучных (анализ, синтез, дедукция, проверка истинности теории путем обращения к практике и др.) и частнонаучных (абстрактно-логический метод, эмпирический метод, моделирование и др.) методов познания. Исследования проводили согласно методологии, в основу которой положен системный подход, как метод научного подхода к исследованию процессов производства. В работе использовали общепринятые стандартные методики экспериментальных исследований, сбора, обработки и анализа информации, методы математической статистики и средства измерений. Для реализации поставленных задач применяли разработанные методики исследования продуктов, полупродуктов и отходов спиртового и ликероводочного производства. Для математической обработки результатов исследований использовали специализированные прикладные компьютерные программные комплексы. Погрешности результатов измерений не превышали значений, установленных действующими государственными стандартами. Исследования проводили в лабораторных и производственных условиях на базе аналитического оборудования ВНИИПБТ и предприятий отрасли.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации,
заключается в формулировании нового направления и разработке основных положений, выносимых на защиту, постановке целей и задач исследований, решении поставленных задач, планировании эксперимента и выполнении исследований, обобщении результатов и использовании их в практике. Результаты диссертационной работы являются совокупностью многолетних научных исследований, проведенных во ВНИИПБТ лично автором и при его непосредственном участии в качестве руководителя или ответственного исполнителя.
Автором разработана нормативная документация, проведена работа по патентованию разработок, апробации и внедрению на предприятиях отрасли.
Достоверность результатов исследований подтверждается соответствием
теоретических данных с полученными результатами экспериментальных исследований и производственных испытаний. Экспериментальные данные, выводы и рекомендации основаны на общепринятых естественных научных законах, не противоречат и с достаточной степенью точности согласуются с известными концепциями, апробированы, подтверждены и внедрены в промышленности.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности: Диссертационное исследование соответствует пунктам 1, 3, 5, 15 паспорта специальности: 05.18.07 – «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ».
Апробация работы. Материалы исследований доложены и обсуждены на заседаниях
Ученого совета ВНИИПБТ (2002-2016гг.). Основные положения и результаты
исследований диссертационной работы доложены на научных конференциях,
симпозиумах и конгрессах: Международной научно-практической конференции
«Актуальные проблемы развития пищевой промышленности и инновационные
технологии пищевых производств» (Углич, 2011); Всероссийской научно-практической
конференции «Актуальные проблемы повышения конкурентоспособности
продовольственного сырья и пищевых продуктов в условиях ВТО» (Углич, 2013);
Международной научно-технической конференции «Инновационные решения при
производстве продуктов питания» (Воронеж, 2014); VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2015); V Международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты» (Воронеж, 2015); ХIV Международной научно- практической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Минск, 2015).
Материалы работ по газовой хроматографии, капиллярному электрофорезу и компьютерным программам были экспонированы во Всероссийском выставочном центре (ВВЦ, МВЦ «Крокус ЭКСПО», Москва), на международных специализированных выставках, на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (2007г., 20092011гг.) и отмечены дипломами и медалями.
Публикации. Основные результаты опубликованы в 56 печатных работах, из них 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 21 статья по материалам докладов на конференциях, 3 патента РФ на изобретения и 10 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации - 310 страниц, в том числе таблиц - 23, рисунков - 59 и 4 приложения. Список использованной литературы содержит 332 наименования.
Современное аналитическое оборудование и новые возможности контроля процессов производства этилового спирта и спиртных напитков
Вступление во Всемирную торговую организацию (ВТО) и интеграция России в мировую экономическую систему обязывает отечественные предприятия соблюдать требования международных стандартов и международных правил, освоения современных подходов к обеспечению безопасности пищевых продуктов при их производстве и реализации, предъявляемых к странам, участникам организации.
Применение международных стандартов предусматривает использование в контроле качества и безопасности выпускаемой продукции современного аналитического оборудования, информативных методов контроля и информационных технологий. Следует подчеркнуть, что от совершенствования методов контроля зависит процесс управления качеством [2, 133].
Для повышения эффективности производственных процессов и обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции необходим новый системный подход к контролю технологических процессов производства этилового спирта, в основе которого заложен принцип предупредительного выявления в производственном процессе опасных факторов, оказывающих влияние на безопасность и качество продукции, начиная от получения сырья и заканчивая готовой продукцией.
Таким образом, качество и безопасность выпускаемой продукции становятся главными факторами, обеспечивающими предприятиям преимущество на товарных рынках и, следовательно, они должны быть предметом постоянного контроля и анализа.
В настоящее время требования, предъявляемые к качеству продуктов и полупродуктов, образующихся в процессе производства этилового спирта, контролируют в соответствии с методами анализа, указанными в Регламенте производства спирта из крахмалистого сырья и в Технических регламентах и инструкциях, действующих на заводах отрасли. Действующей нормативно-технической документацией определены методы контроля, в соответствии с которыми проводят определение нормируемых физико-химических показателей качества [40,41,43-45,152,153].
Для разработки современных подходов к обеспечению безопасности пищевых продуктов при их производстве и реализации необходимо рассмотреть и оценить информативность существующих и применяемых на практике методов контроля качественных и количественных характеристик продуктов, полупродуктов и отходов, образующиеся в процессе производства этилового спирта.
Производство этилового спирта из зернового сырья основано на ферментативном гидролизе крахмала с образованием сахаров, сбраживании их дрожжами в этиловый спирт, выделении спирта из бражки и его ректификации [269].
Рассмотрим основные стадии технологических процессов производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья и методы их контроля - это: водоподготовка, подготовка сырья к развариванию, разваривание и осахаривание разваренной массы, дрожжегенерация, сбраживание осахаренного сусла, выделение спирта из бражки и его ректификация [233,269].
Водоподготовка. Подготовка воды заключается в изменении ее физико-химических свойств в зависимости от назначения и предъявляемых требований к качеству воды, используемой для технологических целей и хозяйственно-питьевых нужд [36,42,46,96].
На спиртовых заводах вода расходуется на технологические и производственные цели, а так же для питания паровых котлов [268].
В технологических процессах вода потребляется при приготовлении замесов, разваривании сырья, приготовлении водных растворов для жидких питательных сред. Кроме того, вода используется как хладагент, теплоноситель, для мойки аппаратуры и других производственных целей. Вода, используемая в технологических процессах, не должна содержать вредные вещества, ухудшающие качество готовой продукции, в ней не допускается наличие постороннего вкуса и запаха. Жесткость является одним из наиболее важных показателей качества воды, характеризующая ее применение [235].
Качество воды определяется содержанием в ней органических и неорганических веществ, а также микроорганизмов. По данным Н.Н. Абрамова присутствие азотсодержащих соединений: нитратов (NO3-), нитритов (NO2-) и аммонийных солей (NH4+) в воде поверхностных источников или в подземных водах может свидетельствовать о загрязнении этих вод сточными водами. Наличие аммонийных соединений указывает на свежее загрязнение, присутствие нитритов - на недавнее загрязнение, а содержание нитратов указывает на давнее, уже ликвидированное, загрязнение [1, 80, 96].
Природные источники воды, используемые для водоснабжения, составляют две основные группы: поверхностные источники - реки и озера; подземные источники - грунтовые и артезианские воды, а также родники.
Речная вода характеризуется, как правило, высоким содержание органических веществ, небольшим содержанием минеральных солей и относительно умеренной жесткостью. К числу наиболее распространенных органических компонентов природных вод относятся органические кислоты, которые могут составлять основную часть всего органического вещества в этих водах. Состав и концентрация органических кислот зависит от внутриводоемных процессов, связанных с жизнедеятельностью водорослей, бактерий и биохимической трансформации содержащихся в воде органических веществ. Кроме того, органические кислоты могут поступать в водоемы с атмосферными осадками, в период половодья, с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами.
Используемое аналитическое оборудование
Исследования проводили в лабораторных и производственных условиях на базе аналитического оборудования ВНИИПБТ, ОАО «Иткульский спиртзавод» (Алтайский край), ОАО «Мариинский спиртзавод» (г. Мариинск), ОАО «Красноярский ликероводочный завод» (г.Красноярск), ОАО«Парламент» (г. Москва), ОАО «Изумруд» (г.Владикавказ), ОАО «Партнер» (г.Владикавказ), ОАО «Хабспирт» ( г. Хабаровск) и др. заводах.
Объектами исследований являлись технологическая вода, поступающая на производство спирта и спиртных напитков, замесы, сусло, питательные среды для ведения дрожжей, биомасса осмофильных спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae р.985-Т и р.1039, биомасса микромицета Aspergillus oryzae 12-84, бражка, спирт этиловый-сырец, спирт этиловый ректифификованный, отходы спиртового производства (барда, лютерная вода), спиртные напитки крепостью от 7,0 % об. б.с. до 60,0 % об. б.с.
Экспериментальные исследования проводили с использованием современных газохроматографических, электрофоретических и хромато-масс-спектрометрических и методов анализа.
При выполнении исследований использовали общепринятые стандартные методы исследования, а также разработанные в процессе исследований современные экспресс-методы газовой хроматографии и капиллярного электрофореза.
Газохроматографические методы определения содержания токсичных микропримесей в водке и этиловом спирте из пищевого сырья: ГОСТ 30536-2013 «Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматографический экспресс-метод определения содержания токсичных микропримесей»[41]; ГОСТ 32039-2013 «Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения подлинности» [43]; ГОСТ 32070-2013" Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения содержания летучих кислот и фурфурола"[44]; Хромато-масс-спектрометрический метод: МИ 10-262.43-03 «Идентификация летучих органических примесей в продуктах и полупродуктах спиртового и ликероводочного производства методом хромато-масс-спектрометрии»[127]. Для обработки результатов измерений использовали систему обработки данных ChemStation, UniChrom, статистические методы контроля результатов измерений.
Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований. Статистические методы контроля результатов измерений и построение контрольных карт Шухарта[57] проводили в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения» [55] и ГОСТ Р ИСО 5725-6 -2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 6. Использование значений точности на практике»[56].
Обработку результатов измерений выполняли по формулам: -для расчета условия приемлемости: и 2-\Х1 -XJ-100 7 4—-r \xi +х2) s (2) где 2 - число параллельных определений; Си,С12 - результаты параллельных определений массовой концентрации /-го вещества (кроме метилового спирта) в анализируемой пробе, мг/дм3; Xj, Х2 - результаты параллельных определений объемной доли метилового спирта в анализируемой пробе, % ; 100 - множитель для пересчета в проценты; гг,г - значение предела повторяемости z-го вещества и метилового спирта, %; -для расчета значений абсолютной погрешности: ±Д,-С = ± 0,015,-C-q,, (3) и ±АХ = ± 0,015 Хср (4) где 0,01 - множитель для пересчета процентов в доли единицы; ±5,-, ±5 - границы относительной погрешности результатов измерений массовой концентрации z-го вещества и объемной доли метилового спирта, %. для расчета приемлемости результатов измерений, полученных в двух лабораториях: Clcpl-Clcp2\ CDl0,95, (5) и \Хср1 - Хср2\ CD0,95 , (6) где CicpUCicP2 - среднеарифметические значения массовой концентрации/-го вещества, полученные в первой и второй лабораториях, мг/дм3; XcpU Хср2 - среднеарифметические значения объемной доли метилового спирта, полученные в первой и второй лабораториях, %; CD i0,95, CD о,95 - значения критической разности для массовой концентрации /-го вещества, мг/дм3 и объемной доли метилового спирта, %, которые вычисляют по формулам СД 095 = 2,77 0,01 ClcpU j2Ri-2r/2 и CD095 = 2,77 0,01 XcpU J2R - 2 /2 где 2,77 - коэффициент критического диапазона для двух параллельных определений по 4.1.2 ИСО 5725-6 [2]; 0,01 - множитель для перехода от процентов к абсолютным значениям или объемной доле; R, , R - показатели воспроизводимости /-го вещества и метилового спирта, %; г, г - показатели повторяемости /-го вещества и метилового спирта, %; СiсрU - среднеарифметическое значение результатов определения массовой концентрации /-го вещества, полученных в первой и второй лабораториях, мг/дм3; ХсрU - среднеарифметическое значение результатов определения объемной доли метилового спирта, полученных в первой и второй лабораториях, %, вычисляют по формулам : Сiсрi2 = С+С t (9) и ХсрU = ХcpI+Хcp2 . (10) При построении контрольных карт Шухарта проверку однородности дисперсий по критерию Кохрена проводят по формуле: G = кто)тах = w i отн max / 2 = w i отн max /Пч max V EU t J2 ±»отн і і і Vo)max = wi2 отн max/2 - максимальное значение дисперсии; l(TO) = тн /2 - сумма дисперсий. Расчет стандартного отклонения промежуточной прецизионности при подтверждении однородности дисперсий проводят по формуле - ,2 Ъп 1(ТО) = f отн , (12) і отн max
При неоднородности дисперсий максимальное значение w отбрасывают и проводят оценку однородности дисперсий повторно при использовании wi2 отн max из оставшихся значений wi2 отн . Исключение максимальных значений wi2 отн продолжают до подтверждения однородности дисперсий. В случае отбрасывания wi2 отн max l значений I(TO) рассчитывают по формуле я ,2 2( 1) 1(ТО) = ! тн , (із) i отн max где l – число отброшенных значений w
Исследование ионного состава технологической воды, зерновых замесов и отходов спиртового производства
Анализ полученных результатов измерений аналитических сигналов (площади пиков) показал, что они пропорциональны концентрации определяемых ионов в анализируемых градуировочных растворах в пределах аналитической области методики. Значение коэффициента корреляции для градуировочной зависимости составляет не менее 0,99.
Следует отметить, что разработанная методика одновременного определения катионов (аммония, калия, натрия, кальция, магния, марганца, стронция, лития, бария, этаноламина, пропиламина), анионов неорганических кислот (хлоридов, нитритов, нитратов, сульфатов, фторидов, фосфатов) и анионов органических кислот (формиатов, ацетатов, оксалатов, тартратов, малатов, цитратов, гликолятов, лактатов, бензоатов, сукцинатов, фумаратов) является экспрессной, продолжительность анализа составляет 20-25 минут. Предел обнаружения методики составляет 0,01 мг/дм3. Минимальная пробоподготовка (фильтрация и разведение).
Определение жесткости воды, используемой в спиртовом производстве.
Методика может быть применена для определения жесткости воды, используемой в спиртовом производстве на различных стадиях водоподготовки.
За результат измерений жесткости воды принимают сумму среднеарифметических значений результатов двух параллельных определений массовой концентрации ионов щелочноземельных элементов (кальция, магния, стронция, бария), полученных в условиях повторяемости, если для каждого иона выполняются условия приемлемости.
Жесткость воды Ж, оЖ, при раздельном количественном определении ионов щелочноземельных элементов вычисляют по формуле Ж = (С /С1э), ( 1 ) где СІ -массовая концентрация щелочноземельного элемента в пробе воды, мг/дм3. С Іэ - массовая концентрация щелочноземельного элемента, численно равная 1/2 его моля, мг/дм3. Допускается не учитывать содержание стронция и бария при расчете жесткости воды, если их суммарное содержание составляет менее 10 % общего содержания щелочноземельных элементов в пробе.
Результат анализа представляют в виде С1ср ± (Р=0,95), мг/дм3, ( 2 ) где Сіср -результат измерений массовой концентрации і-го иона, признанных приемлемыми, мг/дм3; ±І - границы абсолютной погрешности результата измерений массовой концентрации і-го иона, мг/дм3. Значение абсолютной погрешности результата измерений массовой концентрации і-го иона ±,, мг/дм3 , вычисляют по формуле ±І = ± 0,01"і Сіср , ( 3 ) где 0,01 - множитель для пересчета процентов в доли единицы; ± І - границы, в которых относительная погрешность і-го иона находится с доверительной вероятностью Р = 0,95, % . Результат измерений жесткости воды представляют в виде (Ж ± ), (0,95), оЖ, ( 4 ) где Ж - значение жесткости воды, оЖ; ± - границы абсолютной погрешности результата измерений жесткости воды, оЖ. Значение , оЖ, вычисляют по формуле = V(i /С1э)2 , ( 5 ) где СІэ -массовая концентрация элемента, мг/дм3 , численно равная его ХА моля. Значение абсолютной погрешности должно содержать не более двух значащих цифр, при этом, числовое значение результата измерений Сіср , после округления, должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение абсолютной погрешности. Разработанная методика прошла метрологическую аттестацию в ФГУП ВНИИМС, свидетельство об аттестации МВИ № 01.00225/205-22-13. В результате аттестации установлено, что методика измерений соответствует предъявляемом к ней метрологическим требованиям и обладает основными метрологическими характеристиками. Границы относительной погрешности методики составляют 22 - 28% (Приложение В).
Таким образом, в результате проведенных исследований впервые разработана методика одновременного определения катионов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза. Методика позволяет контролировать ионный состав продуктов, полупродуктов и отходов спиртового производства (вода, замесы, сусло, бражка, барда, лютерная вода), образующихся на каждой стадии технологического процесса[148, 151].
Методика включена в национальный стандарт ГОСТ Р 55761-2013 «Замесы, сусло, бражка из пищевого сырья. Определение массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот методом капиллярного электрофореза»[48] (Приложение В) и внедрена предприятиях отрасли (Приложение А).
Водоподготовка. В производственных условиях исследована возможность применения разработанного электрофоретического метода для определения ионного состава воды, поступающей на спиртовое производство. Отбор проб проводили в соответствии с инструкцией по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства.
Ионный состав исходной воды и воды после водоподготовки (натрий катионирование), поступающей в котельное отделение для питания котлов приведен в таблице 4. Таблица 4 – Ионный состав исходной воды и воды после водоподготовки
Массовая концентрация ионов, мг/дм3 вода спиртзавод (Алтайский край) спиртзавод (Белгородская область) исходная вода Na-катионирование исходная вода Na-катионирование хлориды 1,25 0,82 244,5 250,0 сульфаты - - 31,10 33,40 фториды 0,25 0,23 1,61 1,70 аммоний 0,12 0,11 0,17 0,15 калий 1,39 0,38 4,59 1,24 кальций 56,69 - 31,34 0,41 натрий 14,42 43,97 38,65 106,4 магний 19,74 0,27 12,20 2,22 стронций 0,37 - - жесткость,о Ж 4,46 0,022 2,56 0,20 В результате проведенных исследований определен качественный и количественный состав микроэлементов в образцах воды, рассчитана жесткость. Из данных таблицы 4 следует, что в результате Na-катионирования жесткость воды уменьшилась на 99,5 % и 92,2 % соответственно, органических примесей не обнаружено. Следует отметить, что содержание органических примесей в воде, поступающей в котельное отделение, не допускается.
Таким образом, впервые с применением разработанной электрофоретической экспресс-методики появилась возможность контролировать и регулировать ионный состав воды, поступающей на спиртовое производство, рассчитывать её жесткость, снизить трудоемкость и время выполнения анализа. Приготовление замеса. С применением разработанной методики впервые проведены исследования по определению массовой концентрации катионов, анионов неорганических и органических кислот в замесах, получены новые экспериментальные данные. В таблице 5 представлены результаты исследований ионного состава образцов зерновых замесов кукурузы, тритикале, ржи, пшеницы с гидромодулем 1:1,8.
Разработка комплексной системы контроля и регулирования всех стадий технологических процессов производства этилового спирта и спиртных напитков
Из данных таблицы 11 следует, что содержание катионов и анионов в исходном пшеничном сусле существенно зависит от субстратной специфичности используемых ферментов. Более высокий уровень концентрации оксалатов, малатов, цитратов и фосфатов наблюдается при использовании ферментов амилолитического и гемицеллюлазного действия, осуществляющих деструкцию полисахаридов (крахмала, -глюканов и ксиланов) зернового сусла. При этом протеолиз белковых веществ зернового сусла ферментным комплексом, включающим протеиназы и пептидазы, сопровождался снижением концентрации некоторых анионов в среде, в особенности это сказалось на содержании сульфатов, оксалатов, малатов и ацетатов, концентрация которых снижалась в 1,5-2 раза.
Для осуществления биохимических реакций в процессе спиртового брожения большое значение имеет наличие фосфатов в сусле. Данные, представленные в таблице 11 показывают, что содержание фосфатов в исходном сусле, обработанном только амилолитическими ферментами (АС+ГлС), было самым низким и составило 1696 мг/дм3. Введение в состав используемого комплекса протеаз (ПС) и гемицеллюлаз (КС) привело к увеличению концентрации фосфатов в пшеничном сусле до 2283 мг/дм3.
Известно, что для активизации действия практически всех внутриклеточных металлоферментов, в том числе и фосфофруктокиназы, участвующих в метаболизме глюкозы, требуются ионы магния. В проведенном исследовании наиболее высокая концентрация ионов магния (220 мг/дм3) отмечена в сусле, обработанном полным комплексом ферментов. В сусле, обработанном только амилазами, концентрация ионов магния была в 1,6 раза ниже и составляла 134 мг/дм3 (табл. 11).
Важно отметить, что ионы калия, натрия, кальция играют важную роль в метаболизме дрожжей, они специфически активируют дрожжевую альдолазу и вместе с ионом магния они необходимы для действия пируваткарбоксилазы. Он также как азот и сера, может влиять на липидный обмен дрожжей.
Известно, что калий участвует в окислительном фосфорилировании, процессах гликолиза. Проведенные исследования показали, что содержание ионов калия, в подготовленных для сбраживания питательных средах, составляло от 948 до 1428 мг/дм3. Наибольшая концентрация ионов калия отмечена при использовании полного комплекса ферментов. Концентрация ионов натрия, являющегося регулятором поступления воды в клетку и поддержания постоянного осмотического давления, составила от 48 до 97 мг/дм3 . Кроме того, в зерновом сусле, обработанном различными ферментными комплексами, присутствуют ионы органических и неорганических кислот.
Графическая интерпретация результатов исследования ионного состава бражки в процессе сбраживания концентрированного пшеничного сусла, полученного с использованием различных комплексов ферментов, осмофильными дрожжами S. cervisiae 1039, отражена на рисунке 12. б) в) а) Рисунок 12 - Динамика изменения содержания анионов неорганических кислот (а), катионов (б) и анионов органических кислот (в) в процессе сбраживания концентрированного сусла, обработанного различными комплексами ферментов
Результаты исследования ионного состава пшеничного сусла и бражки показали, что содержание анионов неорганических кислот в процессе брожения заметно снижалось, особенно в логарифмической фазе роста дрожжевых клеток (рис. 12 а).
Следует отметить, что снижение фосфатов в бражке (табл.11) свидетельствует об их использовании в реакциях фосфорилирования при биохимических преобразованиях глюкозы на первой стадии гликолиза.
Отмечено, что на начальной стадии брожения в первые сутки происходит значительное снижение концентрации катионов во всех вариантах зерновой бражки, это подтверждает их важную роль в биохимических процессах. В дальнейшем в процессе сбраживания концентрация катионов изменяется незначительно и лишь к концу брожения она несколько увеличивается (рис.12б).
В зависимости от используемого комплекса ферментов(табл.11), концентрация ионов натрия в бражке к концу брожения снижалась в 2,5- 4,9 раза от содержания в исходном сусле.
Ферментные комплексы оказывают существенное влияние на содержание анионов органических кислот в бражках (рис.12в). В первые сутки их общее содержание во всех вариантах повышалась в 1,6-3,7 раза.
Отмечено, что при сбраживании сусла, обработанного комплексом ферментов, в состав которых входили протеазы, наблюдалось снижение анионов на вторые и третьи сутки в 1,2-1,5 раза, в то время как в других вариантах их содержание увеличивалось (рис.12в). Несмотря на практически одинаковое содержание сукцинатов в исходном сусле, концентрация их в конечной бражке возрастала в 16-41 раз. Причем наименьшая их концентрация (386,4 и 368,2 мг/дм3) наблюдалась с использованием комплексов ферментов, включающих протеазы (табл.11).
В процессе брожения в бражках кроме солей янтарной кислоты накапливаются также соли лимонной, молочной, яблочной, фумаровой и уксусной кислот, которые, как и янтарная кислота, относятся к вторичным продуктам брожения.
Следует отметить, что на вторые сутки брожения суммарное количество ионов органических кислот, синтезируемых на средах, обработанных только амилолитическими ферментами или комплексом, где присутствовал также источник гемицеллюлаз, было почти в 2 раза выше, чем на средах, обработанных ферментативным комплексом амилолитических и протеолитических ферментов, а также полным комплексом (рис.12в). Эта тенденция сохранялась до окончания брожения.
В результате проведенных исследований установлено, что использование полного комплекса ферментов амилолитического, протеолитического и гемицеллюлазного действия в процессе биокаталитической конверсии полимеров зернового сырья способствует высвобождению катионов и анионов, играющих существенную роль в процессах метаболизма дрожжевых клеток и гликолиза.
Таким образом, с применением разработанной методики впервые исследован ионный состав концентрированного зернового сусла, приготовленного с использованием комплексов ферментов различного спектра действия и ионный состав зерновой бражки.
С применением разработанной методики исследованы ферментолизаты грибной биомассы A.oryzae 12-84, которые получали с использованием подобранных ранее ферментных препаратов, катализирующих гидролиз белковых и полисахаридных полимеров. Для деструкции полимеров биомассы применяли экзогенные ферментные комплексы глюкано-, маннано- и хитинолитического действия (ГкС), бактериальные протеиназы (БПС) и комплекс грибных протеаз (ГПС).
Показано, что ионный состав биомассы процессе ферментолиза микромицета существенно изменялся, что объясняется биодеструкцией субклеточных структур (рис. 13).
Следует отметить, что среди функциональных пищевых ингредиентов важная роль принадлежит микроэлементам. Известно, что элементы необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов являются биогенными элементами, к которым относятся: кальций, фосфор, сера, калий, натрий, хлор, магний. Показано, что в деструктированной грибной биомассе гриба A.oryzae значительно увеличилось содержание аммония в 3,8 раза, калия в 1,3 раза, кальция в 2,9 раза, натрия в 21,6 раза, магния в 5,6раза, лития в 3,6 раза.
Увеличение массовой концентрации малатов, цитратов, сукцинатов и лактатов указывает на придание ферментолизатам биомассы новых функциональных свойств. Известно, что кислоты обладают широким спектром биологического действия и оказывают благоприятное влияние на процесс пищеварения, способствуя созданию определенного состава микрофлоры, активно участвуют в энергетическом обмене веществ. Так, например, согласно литературным данным, лимонная кислота стимулирует деятельность поджелудочной железы, возбуждает аппетит, способствует усвоению пищи.
Анализ результатов проведенного исследования позволил сформулировать вывод о целесообразности дальнейшего изучения перспективности применения мицеллиальной биомассы A. оryzae в качестве добавки к пище. Комплекс микроэлементов и органических кислот, содержащийся в биомассе, может существенно повысить пищевую ценность продуктов, изготовленных с ее включением.
Таким образом, с применением разработанной электрофоретической методики исследован ионный состав исходной биомассы гриба и состав биомассы в процессе ферментолиза. Выявлена возможность осуществления направленной деструкции полимеров клетки. Получены новые экспериментальные данные, подтверждающие увеличение массовой концентрация ионов в ферментализатах грибной биомассы, которые могут быть использованы при разработке технологий получения биологически активных добавок с заданными ионным составом.