автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии этанола из топинамбура

Содержание.

Введение.

1. Обзор литературы.

1.1. Топинамбур — перспективная сельскохозяйственная культура.

1.2. Биохимический состав клубней топинамбура.

1.3. Хранение топинамбура.

1.3.1. Способы и режимы хранения топинамбура.

1.3.2. Изменения в углеводном комплексе топинамбура при хранении

1.4. Получение этилового спирта из топинамбура.

1.4.1. Экономическая эффективность производства этилового спирта из топинамбура.

1.4.2. Способы подготовки тбпинамбзТэа'ьГсбраживанию.

1.4.2.1. Кислотный гидролиз инуййна топинамбура.

1.4.2.2. Ферментативный гидролиз инулина топинамбура.

1.4.2.3. Комплексные способы гидролиза инулина топинамбура.

1.4.3. Сбраживание сусла из топинамбура.

1.4.3.1. Использование различных рас дрожжей и других микроорганизмов для сбраживания сусла из топинамбура.

1.4.3.2. Технологические режимы сбраживания.

1.5. Выводы, цели и задачи исследования.

2. Экспериментальная часть.

2.1. Материалы и методы исследования.

2.1.1. Материалы.

2.1.2. Методы исследования.

2.1.2.1. Анализ химического состава топинамбура.

2.1.2.1.1. Определение массовой доли влаги.

2.1.2.1.2. Определение массовой доли Сахаров.

2.1.2.1.3. Определение массовой доли инулина.

2.1.2.1.4. Определение массовой доли целлюлозы.

2.1.2.1.5. Метод количественного определения пектиновых веществ (кальций-пектатный).

2.1.2.1.6. Титриметрический метод исследования качественной характеристики пектина.

2.1.2.1.6.1. Определение массовой доли свободных и метоксилированных карбоксильных групп.

2.1.2.1.6.2. Определение массовой доли ацетильных групп.

2.1.2.1.6.3. Определение степени метоксилирования пектина.

2.1.2.2. Методы контроля качества зрелой бражки.

2.1.2.2.1. Определение концентрации спирта и действительного экстракта.

2.1.2.2.2. Определение массовой концентрации растворимых углеводов.

2.1.2.2.3. Определение массовой концентрации растворимых несбраживаемых углеводов.

2.1.2.2.4. Определение титруемой кислотности.

2.1.2.2.5. Определение содержания токсичных микропримесей газохроматографическим методом.

2.1.2.3. Методы микробиологического контроля производства.

2.2. Результаты исследований и их обсуждение.

2.2.1. Исследование углеводного комплекса клубней топинамбура.

2.2.2. Изменения в пектиновом комплексе топинамбура при хранении 53 2.2.3. Сравнительная характеристика способов подготовки топинамбура к сбраживанию.

2.2.3.1. Гидролиз инулина топинамбура под действием инулиназ сырья и ферментного препарата ксилоглюканофоетидина ШОх.

2.2.4. Сравнительная характеристика способов активации инулиназ топинамбура.

2.2.5. Микробиологические аспекты применения антисептиков в технологии этанола из топинамбура.

2.2.5.1. Влияние способов асептирования на микробиологическую чистоту сусла.

2.2.5.2. Влияние способов асептирования сусла на физиологическое состояние спиртовых дрожжей.

2.2.6. Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура.

2.2.6.1. Сравнительная характеристика способов получения засевных дрожжей.

2.2.6.2. Влияние расы дрожжей на сбраживание сусла из топинамбура.

2.2.6.3. Показатели качества зрелой бражки.

2.2.7. Принципиальная технологическая схема производства этилового спирта из топинамбура.

Экономическая часть.

Выводы.

Актуальность темы

В связи со значительными трудностями, которые испытывает спиртовая отрасль, особенно в последние годы, остро стоит проблема обеспечения производства сырьем. В настоящее время отечественные спиртовые заводы перерабатывают в основном зерно различных культур. Однако рынок продовольственного и фуражного зерна в стране ограничен, к тому же данный вид сырья имеет многоцелевой характер использования [3,4,13, 52].

Другое традиционное крахмалосодержащее сырье - картофель, отрасль перестала перерабатывать из-за экономической нецелесообразности (высокая стоимость при низкой крахмалистости).

Поэтому среди шести приоритетных научных направлений, определенных Концепцией развития науки и техники для спиртовой и ликеро-водочной отрасли на период до 2010 года, выделяют направление "Этиловый пищевой спирт из нетрадиционных видов сырья" [72].

К одному из таких видов принадлежит топинамбур. Это высокоурожайная сельскохозяйственная культура, неприхотливая к составу почв и технологии возделывания. В настоящее время в мировом земледелии топинамбур занимает 2,5 мл гектаров, он распространен во многих странах [41].

Топинамбур относится к инулинсодержащему сырью. Кроме преобладающих в количественном отношении потенциально доступных для сбраживания углеводов (инулина, инулидов, олигосахаридов, фруктозы) в нем имеется достаточно азотистых веществ, микро- и макроэлементов. Клубни богаты витаминами, в частности биотином, обладают активным комплексом ферментов, гидролизующих инулин.

Топинамбур, по мнению отечественных и зарубежных специалистов, является одним из самых дешевых видов сырья для спиртовой промышленности. Это весьма существенное его преимущество, так как спиртовая отрасль относится к материалоемким отраслям пищевой промышленности, в которой затраты на сырье и основные материалы составляют более 80% от общих затрат на производство [80].

Вместе с тем, клубни топинамбура из-за структурных свойств покровных тканей плохо сохраняются (в условиях буртового хранения не более 2-3 месяцев), а поэтому данный вид сырья может рассматриваться только как дополнительный. Кроме того, в отличие от зерна и картофеля, топинамбур содержит больше пектиновых веществ, то есть при классических схемах переработки данного вида сырья бражка будет характеризоваться значительным количеством метилового спирта.

Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой технологии этанола из топинамбура несомненно актуальны и перспективны, а их реализация в спиртовой промышленности позволит смягчить проблему обеспечения отрасли сырьем и одновременно получить значительный экономический эффект.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии этанола из топинамбура, учитывающая все специфические свойства данного нетрадиционного вида сырья и экономические аспекты производства.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач: исследовать пектиновый комплекс топинамбура и изменения, происходящие в нем, в процессе буртового хранения; провести сравнительную характеристику способов подготовки топинамбура к сбраживанию; разработать способ активации инулиназ топинамбура, повышающий степень гидролиза фруктанов в процессе самоосахаривания сырья; провести сравнительную характеристику средств асептирования сусла из топинамбура, не подвергнутого термической обработке, с точки зрения микробиологической чистоты процесса и воздействия на спиртовые дрожжи; разработать оптимальный способ выращивания засевных дрожжей вида Б. сегел^ае с учетом их применения для сбраживания нетрадиционного инулинсодержащего сырья; исследовать состав зрелой бражки, в том числе содержание в ней летучих примесей, в зависимости от способов подготовки сырья к сбраживанию, технологических режимов сбраживания, от свойств используемых спиртовых дрожжей; разработать новую высокоэффективную технологию этанола из топинамбура.

Научная новизна

Впервые изучены свойства пектина топинамбура и установлено, что он относится к высокоэтерифированному.

Исследованы изменения, происходящие в пектиновом комплексе при хранении сырья. Показано, что протопектин топинамбура переходит в растворимый пектин со снижением степени метоксилирования последнего.

Разработаны научные основы интенсификации процесса самоосахаривания сырья под действием собственных инулиназ топинамбура, посредством внесения в затор ионов Са+2.

Показано, что предлагаемый способ подготовки сырья к сбраживанию позволяет применять в технологии спиртовые дрожжи Б. сегех^ае, не обладающие инулиназной активностью.

Установлены оптимальные составы сред для постадийного выращивания засевных дрожжей, в основе принципа приготовления которых лежит последовательное увеличение в них процентного содержания гидроли-зата сока топинамбура, что способствует привыканию дрожжей к нетрадиционному для них инулинсодержащему сырью.

Научно обоснована эффективность применения для асептирования сусла из топинамбура, не прошедшего термообработки, антибиотика низина, на основании которой разработан новый способ производства этанола из топинамбура, защищенный Патентом РФ №2161652.

Впервые исследован состав зрелой бражки из топинамбура на содержание летучих примесей. Установлено, что он зависит от способов подготовки сырья к сбраживанию, технологических режимов сбраживания, от свойств используемых спиртовых дрожжей.

Практическая ценность

Разработана высокоэффективная технология этилового спирта из топинамбура, позволяющая снизить энерго- и материалозатраты за счет: исключения из процесса стадии высокотемпературной обработки сырья для подготовки его к осахариванию; гидролиза инулина топинамбура под действием активированных ионами Са+2 собственных инулиназ сырья, взамен используемых для оса-харивания ферментных препаратов амилолитического комплекса; снижения потерь сбраживаемых углеводов; повышения качества бражки, а, следовательно, уменьшения материальных затрат на ректификацию.

Проведена опытно-промышленная проверка предлагаемой технологии переработки клубней топинамбура осеннего сбора в этанол в условиях Бежецкого спиртового завода (в настоящее время - ОАО "Алвист").

Рассчитан экономический эффект от внедрения технологии этилового спирта из топинамбура при условии работы Бежецкого спиртового завода на данном виде сырья в течении 3-х месяцев, который составил 6,0 млн. рублей.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.5. Выводы, цели и задачи исследования

Обобщая литературные данные можно сделать вывод о том, что топинамбур относится к перспективной сельскохозяйственной культуре, отличается составом высокой ценности: помимо углеводов, он содержит незаменимые аминокислоты, богат витаминами, минеральными вещества.

С точки зрения объекта для хранения — это сложная культура. Предлагаемые исследователями способы хранения (с применением пленок, в РГС, при пониженных температурах) для спиртовой отрасли практически неприемлемы из-за значительных материальных затрат, связанных с их внедрением. Поэтому топинамбур можно рассматривать только как дополнительный вид сырья, в условиях буртового хранения сохраняющийся в течение 2—3 месяцев. А следовательно, с технологической точки зрения процесс переработки топинамбура в этанол не должен сопровождаться введением в технологию новых стадий, усложнением процесса, использованием новых нетипичных для спиртового завода рас дрожжей.

1. Исходя из вышесказанного целью настоящей работы является разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии этанола из топинамбура, учитывающая все специфические свойства данного нетрадиционного вида сырья и экономические аспекты производства.

2. Материалы и методы исследования21.1. Материалы

3. Образцы топинамбура соответствовали ТУ на данный вид сырья

4. Размер клубней по — 50—85 мм. наибольшему поперечному диаметру

5. В работе использовали топинамбур осеннего сбора (сентябрь—октябрь).

6. Осахариваюшие материалы. В качестве осахаривающего препарата применяли ксилоглюканофоетидин ШОх, в котором в ранее проведенных работах 96, 97. выявлена высокая инулиназная активность.