автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих технологий этанола из крахмало- и инулинсодержащего сырья на основе новых для спиртовой отрасли способов его переработки

На правах рукописи

КРИКУНОВА ЛЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭТАНОЛА ИЗ КРАХМАЛО- И ИНУЛИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ НА ОСНОВЕ НОВЫХ ДЛЯ СПИРТОВОЙ ОТРАСЛИ СПОСОБОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов

(пивобезалкогольная, спиртовая и винодельческая промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

003170272

Москва - 2008

003170272

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств».

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Гернет Марина Васильевна

Официальные оппоненты. ' доктор технических наук, профессор

Иванова Людмила Афанасьевна ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

доктор технических наук, профессор Римарева Любовь Вячеславовна ВНИИ пищевой биотехнологии

доктор химических наук, профессор Синнцын Аркадий Пантелеймонович Московский государственный

университет им. М В Ломоносова

Ведущая организация Московский государственный

университет технологий и управления

Защита состоится «19» июня 2008 года в 10°° ч, ауд. III-110 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212 148 04 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу. 125080, г Москва, Волоколамское ш , 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу 125080, г Москва, Волоколамское ш, 11, МГУПП, ученому секретарю Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Автореферат разослан « /£у> 2008 г.

Ученый секретарь Совета по защите докторских

и кандидатских диссертаций, д т н, проф. о ¡AlCr&'fs' Крюкова Е В

i,дтн,проф. ^ yjvtOK^&j'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 , Кра-сильников 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 - инулинсо-держащее 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 крахма-ло- 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 целлюлозами 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 выявлении влияния отдельных компонентов зерна и топинамбура, а также учете их распределения 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 на него (биотехнологический, ИК-нагрев и др ), выявлены зависимости, характеризующие влияние режимов обработки зерна 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, позволяющие оценить его углеводно-амилазный комплекс, а также выявить влияние вида зерна, влажно-

сти, биохимического состава, способов предобработки на процесс получения сусла и бражки с позиций энергозатрат, норм внесения ферментных препаратов, качества полупродуктов производства и характеристик конечных продуктов

Кроме разделов научной новизны, относящихся ко всему объему выполненных исследований, также

- установлена корреляционная зависимость между фракционным, аминокислотным составами белков дифференцированных 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 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, которые позволяют 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 Я сегехтае на этапах их получения,

- выявлена зависимость выхода и качества осветленного сусла из топинамбура от вида и дозировок ферментных препаратов протеолитического и цитолитиче-ского 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 инулинсо-держащего 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

1. Обзор литературы В обзоре литературы приведены данные о научно-практических аспектах переработки крахмало- и инулинсодержащего сырья в спиртовом производстве Освещены вопросы исходных свойств зерна и способов их целенаправленного изменения. Рассмотрены технологии переработки сырья по одно- и многопродуктовым схемам Представлены материалы о современных подходах к оптимизации процесса сбраживания сусла Раскрыты факторы, определяющие перспективность использования топинамбура в технологии этанола и проблемы его переработки

2. Экспериментальная часть 2.1. Материалы, методы исследования и используемое оборудование Объектами исследований в работе являлось зерно урожаев 1998-2006 гг, поступившее на спиртовые заводы РФ, а также клубни топинамбура сорта Скороспелка урожаев 1998-2000 гг и 2003-2005 гг, выращенные в Московской области

В качестве осахаривающих материалов применяли отечественные и зарубежные ферментные препараты Амилосубтшшн ГЗх, Амилолихитерм Г20х, БАН 240Л, Термамил 120Л, Ликвамил 1200, Спирицим БА-Т, Бирзим амил СТ, Бирзим амил ХТ, Альфа-амилаза СОЯМЕУ ААЬ, Конверзим АМГ-300, САН Экстра Л

На отдельных стадиях переработки сырья использовали Целловиридин ГЗх, Ксилоглюканофоетидин ШОх, К1 пих (МГУ), В1 пих (МГУ), Пектофоетидин ПЗх, Бирзим Пента, Бирзим Вв, Бирзим ВО Супер, Спирицим ВО, Целлюкласт 1,5Л, Шеарзим 500Л, Новозим 188Л, Нейтраза 0,5Л, Алкалаза 2,4Л ФГ

Анализ физических, биохимических и микробиологических показателей состава исходного сырья, прошедшего стадии обработки, полупродуктов и готовой продукции проводили по методам анализа растительного сырья и принятым в спиртовой, комбикормовой промышленностях Аминокислотный состав определяли на анализаторе марки Хитачи, аминокислотный скор белков рассчитывали сравнением с эталонным белком ФАО/ВОЗ Фракционный состав белков исследовали по методике, в соответствии с классификацией по Осборну. Изоэлектрическую точку белков определяли весовым методом и изоэлектрическим фокусированием

Функциональные свойства белковых продуктов водосвязывающую (ВСС), жиросвязывающую (ЖСС), жироэмульсионную (ЖЭС), пенообразующую (ПОС) способности, стабильность эмульсии (СЭ), стойкость пены (СП) определяли по методикам, опубликованным в печати (Колпакова В В , Нечаев А П и др )

Количество пектиновых веществ в топинамбуре устанавливали кальций-пектатным методом, образцы пектина анализировали титрометрическими методами Определение реологических характеристик включало исследование гранулометрического состава помола и расчет модуля крупности, прочностных свойств зерна на приборе «Структурометр СТ-1», приставки-твердомера к фаринографу, оценки состояния углеводно-амилазного комплекса на приборе «Амилотест АТ-97» Активности ферментных препаратов определяли по методикам МГУ и ВНИИПБТ Инулиназную активность клубней-методом, предложенным немецкими учеными, пектинэстеразную - химическим ацидометрическим

В работе использовали лабораторное и промышленное оборудование молотковую дробилку <ЗС-114 ЛАБ-МИЛЛ-1, вальцовый станок (лабораторная мельничная установка фирмы «Ш§ета»), шелушильно-шлифовальную машину марки А1-ЭШН-3, установку для термообработки зерна марки УТЗ-4 2.2. Результаты исследований и их обсуждение 2.2.1. Обоснование выбора основных направлений исследований Настоящая работа проводилась в рамках приоритетных направлений, принятых Концепцией развития спиртовой отрасли на период до 2010 г и была связана с разработкой пяти технологий (рис 1), в основу выбора которых положены данные научно-технической, патентной информации, затраты в себестоимости спирта ряда статей и собственные результаты автора

При реализации первых трех технологий применен принципиально новый подход к оценке технологических свойств и способам переработки зерна

Классически все составляющие сырья проходят стадии, предусмотренные процессом производства этанола Однако, как будет показано далее, определенная часть веществ зерна может быть отнесена к балластным соединениям, либо к негативно влияющим на процесс снижающим выход спирта, ухудшающим его качество и ограничивающим возможность применения вторичных продуктов

Установлено, что при разработке рациональных способов использования зерна необходимо учитывать распределение химического состава сырья по анатомическим частям (рис. 2), а также влияние отдельных компонентов сырья на эффективность операций при получении этанола и выработке кормопродуктов

I. Уровень (приоритетное научное направление)

Спирт этиловый пищевой из традиционных видов сырья по новой технологии Спирт этиловый пищевой из нетрадиционных видов сырья

II. Уровень | (приоритетная научная проблема)

Разработать научные основы и технологию производства спирта, повышающую эффективность использования сырья при сокращении энергозатрат

Т

Разработать научные основы и технологию производства спирта из нетрадиционных видов сырья с целью экономии зернопродукгов

Разработать научные основы и технологию производства спирта с целью улучшения экологии и рационального использования сырья

IIII. Уровень I (приоритетный научный проект)

Разработать комплексную технологию этанола и кормопродукта на основе биотехнологического способа предобработки зерна Разработать комплексную технологию переработки зерна на этиловый спирт и пищевые белковые продукты Разработать ресурсосберегающую технологию этанола на основе ИК-обработки зерна Разработать ресурсосберегающую технологию этанола из инулинсодер-жащего сырья (топинамбура) Разработать комплексную технологию переработки топинамбура на этиловый спирт и пектинопродукты

Рис 1 Приоритетные направления, проблемы и проекты в рамках разработанной Концепции развития спиртовой и

ликероводочной отрасли

Основные анатомические части зерна

1 1 4 1

Оболочки Алейроновый слой Эндосперм Зародыш

концентрация отдельных соединений в анатомических частях^

Клетчатка Гемицеллюлозы Гемицеллюлозы Белки Липиды Крахмал Белки Сахара Белки Липиды

Рис 2 Характеристика основных анатомических частей зерна

Основной ценный компонент зерна - крахмал содержится, как видно из рисунка 2, в эндосперме, то есть во внутренней части зерновки В поверхностных слоях концентрируются другие химические составляющие сырья

- клетчатка, сосредоточенная в оболочках, во-первых, повышает прочностные свойства зерна, что препятствует получению качественных помолов при фиксированных энергозатратах, во-вторых, требует для подготовки к ферментации высокотемпературной обработки, а поэтому в перспективных низкотемпературных схемах, практически не используется, то есть является балластным соединением,

- гемицеллюлозы - комплекс соединений, сосредоточенных в оболочках и алейроновом слое, свойства которых определяются составом и зависят от вида зерна Отдельные группы гемицеллюлоз, во-первых, повышают прочностные свойства зерна, так как в них преобладают пластические деформации; во-вторых, высоковязкие гемицеллюлозы создают проблемы при переработке, в-третьих, определенные группы обладают экранирующим свойством, что отражается на доступности крахмала сырья к ферментативному воздействию Поэтому гемицеллюлозы следует отнести к соединениям, негативно влияющим на процесс получения этанола,

- белки - комплекс соединений, сосредоточенных в алейроновом слое и эндосперме Отдельные группы белков в зависимости от растворимости используются в технологии этанола в качестве азотного питания для дрожжей, либо переходят в отход производства Кроме того, определенная часть белков, как и гемицеллюлозы, обладает экранирующим свойством Поэтому выделение части белков из процесса получения этанола и их целевое использование для выработки дополнительных продуктов способствует повышению рентабельности спиртовых заводов,

- сахара - группа соединений, сосредоточенных в зародыше, в зависимости от состава (гексозы или пентозы) повышающих выход этанола, так как в низкотемпературных схемах менее подвержены разрушению, чем в схемах с развариванием,

-липидьг - группа соединений, сосредоточенных в зародыше, при жестких режимах переработки дающих акролеин, ухудшающий качество этанола Поэтому ли-пиды следует отнести к соединениям, негативно влияющим на процесс

Исходя из вышеперечисленного, предложены варианты II, IV и V, позволяющие обосновать основные рациональные способы использования крахмалосо-держащего сырья в технологии этанола (рис 3)

Переработка исходного зерна по классической однопродуктовой схеме (Вариант I) имеет ряд недостатков пониженный выход этанола из-за недостаточной подготовленности крахмала сырья к ферментативному воздействию, проблемы на стадии сбраживания сусла, связанные с микробиологией зерна, высокие энергозатраты на стадии дробления, из-за прочностных свойств зерна, и на стадии ректификации бражки с повышенным содержанием примесей Решение перечисленных проблем предлагается путем внедрения стадии ИК-обработки сырья (Вариант И)

Переработка исходного зерна по многопродуктовой схеме с выработкой кор-мопродукта (Вариант III) имеет следующие недостатки- пониженный выход этанола за счет, как будет показано далее, потерь крахмала с Фракцией I (периферийных частей зерна) при ее выделении; ограничения по использованию данной фракции для производства кормопродуктов Решение перечисленных проблем предлагается путем использования Фракции I в качестве сырья для получения пищевого белкового продукта с возвратом в основной процесс вторичных продуктов от его производства (Вариант IV), либо специального биотехнологического способа предобработки зерна (Вариант V), позволяющего целенаправленно изменять реологические свойства сырья и улучшать состав и Фракции I (снижать в ней содержание высокомолекулярных некрахмальных полисахаридов), и Фракции II (эндосперма), путем повышения ферментативной атакуемости крахмала

Основным обоснованием выбора технологий по получению этанола из ину-линсодержащего сырья (топинамбура) в первую очередь явилось то, что данный вид относится к самому дешевому, что весьма существенно, исходя из затрат на сырье (65-70%) в себестоимости спирта При этом учитывалось, что, несмотря на полноценный состав (высокое содержание сбраживаемых углеводов, азотистых, зольных веществ, витаминов), топинамбур мог быть рассмотрен только в виде дополнительного сырья Кроме того, из-за повышенного содержания пектиновых веществ в нем традиционные схемы переработки приведут к получению бражки со сверхнормативным содержанием метанола Все вышеперечисленное обосновало выбор решений при разработке новых технологий этанола из топинамбура.

Недифференцированный способ переработки (однопродуктовая схема)

Дифференцированный способ переработки (многопродуктовая схема)

Исходное зерно

Производство этанола

Зерно после ИК-обработки

Разделение на фракции исходного зерна

Фракция I ФракцияII | Фракция! Фракция II

Разделение на фракции зерна после биотехнологической обработки

Производство этанола

Производство белка

Производство этанола

Производство этанола

Производство кормопродукта

Производство этанола

Производство кормопродукта

Вариант I Вариант II Вариант III Вариант IV Вариант V

Рис 3 Варианты переработки крахмалосодержащего сырья в этанол

2.2.2. Современные подходы в оценке технологических свойств сырья

В настоящее время при оценке технологических свойств сырья, в первую очередь основного (зерна), используют ограниченный круг показателей, что не позволяет выявить резервы, скрытые в структуре и составе зерновых культур, и предложить рациональные пути повышения эффективности их переработки в этанол.

Так в отрасли очень узко, только с позиции вязкости сред, применяют реологические характеристики. Однако, как отмечено в работах Мачихина Ю.А., Мачихина С.А., Черныха В.Я., Максимова A.C. и др., реологическое поведение материалов -достаточно емкое понятие. К примеру, с их использованием можно оценить структурно-механические свойства, ответственные за процесс измельчения зерна. Сравнительная характеристика методов оценки прочностных свойств зерна

В настоящей работе в качестве оценки прочностных свойств зерна были выбраны: классический для спиртовой отрасли метод, метод определения гранулометрического состава помолов, а также методы исследования прочностных свойств зерна на приборе «Структурометр СТ-1» и определения доступности зерна к дроблению с использованием приставки-твердомера к фаринографу.

Показано, что классический метод оценки помолов (проход помола через сито с d=l,0 мм) не позволяет объективно оценить прочностные свойства зерна.

Самыми точными являются методы исследования гранулометрического состава помолов и определения доступности зерна к дроблению. Математическая обработка экспериментальных кривых дробления (рис. 4) дает показатель «Условная работа дробления (Адр)».

о. ы

S

5 о S «я я =1

>ч

С-

Ьй

\л \ ; ; ; ; ;

§ V rvt

V

L * \ V 1 1

012345678 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Время дробления, с

-№=12% - - - №=14 % -№=16% -№=18%

Рис. 4. Кривые дробления исходных образцов пшеницы

Выявлено, что Адр характеризуется относительной ошибкой на уровне 2-3% и позволяет достоверно выявить влияние влажности сырья на его прочностные свойства.

Оценка состояния углеводно-амилазного комплекса зерна по амилогралшам В технохимическом контроле спиртового производства отсутствует метод

оценки состояния углеводно-амилазного комплекса зерна В данной работе для этих целей использован прибор «Амилотест АТ-97» В качестве субстратов для действия разжижающих термостабильньгх ферментных препаратов использовали ржаной, пшеничный крахмальные гели и ржаной замес Норма внесения препаратов составляла 0,1 ед АС/г крахмала и рассчитывалась, исходя из активности, определенной при 1=30 °С Установлено (табл 1), что существуют заметные различия в снижении вязкости крахмальных гелей разными ферментными препаратами Причем, процент снижения вязкости одним и тем же препаратом на пшеничном и ржаном крахмальных гелях неодинаков Для всех препаратов процент снижения вязкости на ржаных замесах почти вдвое ниже, чем на крахмальных гелях (18-32% против 44-88%) Это подтверждает литературные данные о том, что реологические характеристики замеса определяются не только крахмалом Другие компоненты сырья (белки, гемицеллюлозы и др ) также играют существенную роль

Табл 1 Изменение вязкости сред под действием амилолитических препаратов

Название ферментного препарата Степень снижения вязкости, %

Ржаной замес Ржаной гель Пшеничный гель

Амилолихитерм Г20х 20,9 88,5 75,9

Альфа-амилаза С AAL 18,4 51,9 54,2

Спирицим БА-Т 18,7 44,4 39,5

Бирзим амил CT 30,2 67,1 75,0

Бирзим амил ХТ 24,3 45,5 32,8

Терм амил ПОЛ 32,1 73,6 67,5

Таким образом, при разработке технологических режимов целесообразно учитывать индивидуальную специфичность технологических сред, изучая их реологическое поведение, что позволит рационально подойти к выбору препаратов и обосновать нормы их внесения

2.2.3. Разработка комплексной технологии этанола и кормопродукта на основе биотехнологической предобработки зерна

Методы выделения дифференцированных фракций

Для разработки комплексных технологий зерно разделяют на фракции периферийных астей и эндосперма Однако, до сих пор не установлен оптимальный метод Анализ фракций (табл 2) показал, что массовая доля крахмала в них зависит от способа получения и вида зерновой культуры Установлено макси-

малыше количество крахмала во фракциях ржи Среди способов получения самой высококрахмальной фракцией является Крупка I (продукт, полученный после измельчения зерна на молотковой дробилке и рассева через сито <1=1,0 мм (сход))

Табл 2 Влияние способа получения и вида зерновой культуры на содержание крахмала в дифференцированных фракциях

Вид дифференцированной фракции Массовая доля крахмала во фракции, % Потери крахмала с выделяемой фракцией, % от общего содержания в зерне

пшеница рожь ячмень пшеница рожь ячмень

Крупка I 32,7 44,0 23,5 11,7 16,8 9,7

Крупка II 29,4 37,2 15,3 9,8 13,5 5,9

Шелуха 17,0 26,5 9,7 6,0 10,2 4,1

При рассеве после дробления на вальцовом станке (Крупка II) потери крахмала сокращаются Из рассмотренных фракций меньше всего крахмала в шелухе

Вместе с тем, особенности реологических свойств исходного зерна, не позволяют проводить шелушение «идеальным» способом и достаточно полно выделить эндосперм Поэтому необходимо сократить потери крахмала с отделяемой фракцией В работах ученых мукомольно-крупяной отрасли (Казаков Е М, Егоров Г А , Мельников ЕМ и др) для этих целей предложен метод гидротермической обработки (ГТО) Выделение фракций после изменения реологических свойств зерна В работе на основе метода ГТО впервые применены ферментные препараты ци-толитического комплекса для целенаправленного изменения реологических свойств зерна. В задачи входило увеличить различия прочностных свойств периферийных и внутренних частей зерна и провести деструкцию некрахмальных полисахаридов

В начале был осуществлен выбор режима обработки На первом этапе использовали ферментный препарат Ксилоглкжанофоетидин ШОх (10 ед КС/г) (табл 3)

Табл 3 Изменение углеводного состава дифференцированных фракций ржи

Условия отволаживания Массовая доля РВ во Фракции I, % на С В Крахмалистость Фракции II, % на СВ

время, ч | температура,°С свободных гидролизов

Контроль (без обработки) 3,00 17,01 60,30

1,0 20 3,95 17,95 63,58

2,0 20 3,80 17,64 63,44

3,0 20 3,65 17,64 63,07

1,0 55 3,75 17,85 64,56

2,0 55 4,20 18,65 65,21

3,0 55 4,73 19,00 66,86

Установлен лучший вариант, в котором условная крахмалистость Фракции II (эндосперма) составила 66,86% при максимальном содержании массовой доли редуцирующих веществ во Фракции I (шелухи)

Далее было изучено влияние других препаратов отечественного и зарубежного производства на изменение структурно-механических свойств зерна и выявлены лучшие Ксилоглюканофоетидин ШОх, Шеарзим 500 Л и Бирзим ВО

С целью теоретического обоснования изменения реологических свойств зерновки при оптимальных условиях ведения процесса, была снята динамика шелушения контрольных и опытных образцов ржи, взятых в количестве 100 г (табл 4) Табл 4 Динамика шелушения зерна ржи, обработанного Ксипоглюканофоетидитм

Время шелушения, с Изменение массы зерна в процессе шелушения, г

Контроль (зерно без обработки) Опыт

10 ед/г 20 ед/г 30 ед/г

15 94,5 96,0 95,0 94,0

30 90,5 92,0 90,5 89,0

45 87,7 88,5 87,5 87,0

60 85,0 85,0 84,0 80,0

75 83,5 82,0 82,0 78,0

90 80,0 79,0 79,0 75,0

105 75,5 76,0 75,5 71,5

120 75,0 73,0 72,0 69,0

Установлено, что оптимальный результат дает обработка зерна при норме задачи препарата 10 ед КС/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 наружные слои зерна уплотняются, а внутренние - разрыхляются Такое изменение структурно-механических свойств способствует снижению потерь крахмала с шелухой

Таким образом, разработан новый способ биотехнологической обработки зерна перед шелушением, включающий увлажнение зерна раствором ферментного препарата до >М=18-20%, отволаживание (выдержку) при температуре, оптимальной для действия препарата в течение 3-х часов, сушку зерна до исходной влажности и последующее шелушение Данный метод в результате изменения реологических свойств сырья позволил не только снизить потери крахмала с выделяемой фракцией, но и изменить структуру некрахмальных полисахаридов в ней Одновременное разрыхление внутренних слоев зерновки и вывод из процесса Фракции I дает возможность получить качественный помол при низких энергозатратах

Получение и сбраживание сусла из зерна, прошедшего стадию биотехпо-погической обработки

При получении сусла из зерна, прошедшего биообработку, использована низкотемпературная схема, которая имеет сдерживающие ее широкое внедрение факторы Во-первых, обработка сырья без разваривания предъявляет высокие требования к качеству помола Разработанный способ решает данную проблему

Вторым фактором является недостаточная микробиологическая чистота сырья Классическая технология не предусматривает способов его повышения, в отличие от биотехнологического На стадии отволаживания зерна часть спор микроорганизмов переходит в вегетативное состояние, а затем погибает при сушке

Сравнительный анализ образцов сусла и бражки показал, что по основным показателям качества все опытные образцы превосходят контроль В сусле возрастает на 2,36-3,21% массовая доля сбраживаемых углеводов, повышается в среднем на 10% видимая доброкачественность Бражка опытных вариантов характеризуется большим накоплением спирта (на 0,45-0,61% об), снижением в 2 раза массовой концентрации растворимых углеводов

Выделение из процесса фракции шелухи - наиболее проблемной с позиции микробиологии, содержащей повышенное количество некрахмальных полисахаридов, приводит к снижению суммарного количества примесей на 10-30% (табл 5)

Табл 5 Сравнительный анализ образцов бражки по содержанию примесей

Основные примеси, мг/дм3 безводного спирта Образцы бражки по вариантам

Контроль 01 OII О III

Ацетальдегид 570,92 667,91 515,58 734,23

Этилацетат 163,49 108,17 98,39 92,65

Метанол, % об 0,0081 0,0037 0,0045 0,0057

2-пропанол 37,21 23,37 27,85 23,02

1-пропанол 148,02 113,25 101,11 122,01

Изобутанол 980,96 1061,92 579,59 951,86

1-бутанол 54,78 18,41 - 23,09

Изоамилол 2719,70 2059,11 1824,44 2087,27

Суммарное количество примесей 4675,08 4052,14 3146,96 4034,13

Контроль — исходное зерно, OI, Oil, OIII - зерно после биотехнологической обработки с использованием Шеарзима 500JI, Навозима 188Л, Бирзима BG

Таким образом, доказана перспективность переработки зерна по комплексной технотогии с выработкой этанола и высококачественного кормопродукта, включающей новое техническое решение проблемы повышения эффективности использования сырья, защищенное патентом РФ № 2162103

2.2.4. Разработка комплексной технологии переработки зерна на этиловый спирт и пищевые белковые продукты

Несмотря на все преимущества комплексных технологий переработки зерна на этанол и кормопродукты, в том числе и предложенной в данной работе, внедрение их в практику заводов ограничивается спросом сельского хозяйства Более эффективными могут быть схемы с выработкой пищевых продуктов, к примеру, белковых Сырьем для их производства в работе являлись фракции крупки и шелухи

Изучение химического состава зерна и выделенных из него фракций показало, что последние содержали больше белка Причем, для зерна пшеницы и ржи отмечены различия в содержании белка (15,3-17,3% и 11,8-14,7%) в зависимости от способов выделения фракций Метод шелушения является более предпочтительным.

При сравнении аминокислотного состава белков выделенных фракций и зерна установлено, что фракция шелухи содержит более сбалансированный состав белков, чем фракция крупки, а последняя - более сбалансированный, чем зерно Технологические параметры выделения белков из фракций Для выделения белков из дифференцированных фракций в работе использовали жидкостной метод, предложенный Колпаковой В В для получения белковых продуктов из пшеничных отрубей Он положен в основу новой технологии этанола Важнейшими факторами, определяющими переход белка из сырья в белковую пасту, приняты рН, время, температура экстрагирования, гидромодуль и рН осаждения белков Установлены в зависимости от вида фракций параметры рН экстракции - 10,5-11,0, время экстракции-40-60 мин, гидромодуль-1 8-1.12, рН осажде-ния-4,1-5,6, с использованием которых осуществлен процесс (табл 6).

Табп б Баланс распределения белка по продуктам

Сырье для выделения белка Массовая доля белка в сырье, % Белок по продуктам, в % от исходного в сырье

Экстракт Белковая паста Крахмало-белковый продукт Сыворотка Нераств остаток Потери

Пшеница

Крупка 13,1 61,3 40,3 10,0 11,0 34,6 4,1

Шелуха 15,3 75,2 35,5 14,3 25,4 19,8 5,0

Рожь

Крупка 9,9 68,3 45,0 12,5 10,8 30,0 1,7

Шелуха 13,0 69,2 38,6 13,3 17,3 24,6 6,2

Ячмень

Крупка 12,6 69,0 48,2 9,0 11,8 24,1 6,9

Шелуха 12,3 72,3 39,0 15,7 17,6 25,5 2,2

Показано, что большее количество белка из сырья переходило в белковую пасту (35,5-48,2%) Причем, для фракции крупки всех культур выход был выше на 10-15%, по сравнению с фракцией шелухи Вместе с тем, по содержанию белков, перешедших в экстракт, выявлена обратная зависимость

С целью теоретического обоснования полученных данных исследован фракционный состав белков фракций пшеницы, ржи и ячменя и установлено, во-первых, что сумма белков, которые могут перейти в раствор в условиях опытов (во-до-, соле- и щелочерастворимые), при использовании фракций шелухи выше, чем фракций крупки, с чем и связано меньшее количество белка в экстракте из последних, во-вторых, при примерно равном количестве во фракциях доли альбуминов и глобулинов, они существенно отличались содержанием проламинов и глютелинов Выявленные особенности состава белков и различия в значениях изоэлектрических точек клейковинных и неклейковшшых белков могут быть причиной того, что в осадок с пастой из шелухи выпадает меньше белка, чем крупки

Получение белковых композитов из фракций зерновых культур В последнее время спиртовые заводы часто используют зерносмеси Поэтому в работе решался вопрос о целесообразности получения белков из двух- или трехком-понентных смесей фракций зерна Ставились задачи определить выход белка, его аминокислотный состав и функциональные свойства белковых композитов

Установлены оптимальные соотношения фракций культур в двух- и трехком-понентных смесях, позволяющие получать максимальный выход белка (табл 7)

Табл 7 Влияние состава компонентных смесей на выход белка

Соотношение фракций в смесях, % Выход белка, % от общего в сырье

Пшеница Рожь Ячмень Образец 1 Образец 2

60 40 - 47,4 49,0

50 50 - 49,0 50,5

40 60 - 39,7 42,0

60 - 40 52,3 53,0

50 - 50 54,0 54,5

40 - 60 55,9 57,0

20 40 40 48,3 51,0

33,3 33,3 33,3 53,1 54,0

40 40 20 49,8 52,0

40 20 40 53,2 56,0

Баланс распределения белка по продуктам переработки выбранных компонентных смесей (табл 8), позволил установить, что выход белка с белковой пастой

был выше, если в состав смеси входила фракция ячменя, по сравнению с переработкой фракций пшеницы или пшеницы-ржи Вероятно, это связано с эффектом взаимоагрегации белков разных культур, особенностями их фракционного или компонентного составов.

Табл 8 Баланс распределения белка по продуктам переработки зерносмесей

Сырье для выделения белка Белок по продуктам, в % от исходного в сырье

Белковая паста Крахмало-белковый продукт Сыворотка Нераств остаток

2-х компонентная смесь (пшеница-рожь 1 1) 50,5 13,3 11,9 20,1

2-х компонентная смесь (пшеница-ячмень 1 1) 54,5 8,7 8,2 27,1

3-х компонентная смесь (пшеница-рожь-ячмень 2 • 1 • 2) 56,0 10,0 11,1 20,8

Контроль (фракция крупки пшеницы) 50,3 9,5 12,9 24,0

Биологическая ценность и функциональные свойства белковых продуктов Важной характеристикой белковых продуктов является их биологическая ценность, характеризующаяся аминокислотным составом. В работе ее оценивали по аминокислотному скору (табл 9). Выявлено, что белковые препараты, полученные из фракций ржи и ячменя, имели более высокие значения аминокислотного скора, чем препараты из фракций пшеницы Аминокислотный состав белковых композитов был более сбалансирован, чем состав белковых препаратов

Табл 9 Аминокислотный скор белковых препаратов и композитов

Аминокислоты Аминокислотный скор белка, %

Препараты Композиты

Пшеница Рожь Ячмень Пшеница-рожь Пшеница-ячмень Пшеница-рожь-ячмень

Лизин 30 44 33 55 50 54

Треонин 65 82 79 86 82 86

Валин 74 95 90 85 82 86

Лейцин 128 130 138 101 133 132

Изолейцин 86 93 91 90 89 90

Метионин + Цистеин 82 118 102 100 100 101

Фенилаланин + Тирозин 94 99 104 90 89 100

Для того чтобы наметить пути применения белковых продуктов в пищевых производствах, были изучены их функциональные свойства ВСС, ЖСС, ЖЭС, СЭ, ПОС, СП (табл 10) Установлено, что белковые композиты обладали высокой способностью образовывать эмульсию типа «масло в воде» и стабилизировать ее

Наряду со способностью изменять поверхностное натяжение на границе раздела сред «масло-вода», белковые продукты обладали аналогичным свойством и в отношении фаз «газ-вода» Стабильность белковой пены оценивалась как невысокая, а все остальные свойства были удовлетворительными

Табл 10 Функциональные свойства белковых композитов

Сырье для выделения белка ВСС, г/г ЖСС, г/г ЖЭС, % СЭ, % ПОС, % СП, %

2-х компонентная смесь (пшеница рожь) 0,65 0,51 62 98 85 20

2-х компонентная смесь (пшеница ячмень) 0,55 0,58 56 99 50 15

2-х компонентная смесь (ячмень рожь) 0,52 0,45 49 96 57 2

3-х компонентная смесь (пшеница рожь ячмень) 0,70 0,52 56 98 68 15

Химический состав вторичных продуктов производства пищевъис белков Можно было предположить, что разрабатываемая технология этанола будет более рентабельна не только за счет выпуска второго продукта, но и за счет возврата ряда вторичных продуктов от его получения, таких как крахмало-белковый продукт, сыворотка и нерастворимый остаток, в основную технологию

Показатели качества крахмало-белкового продукта даны в таблице 11 Продукт представлял собой пасту с влажностью 60-65% Основные сухие вещества в нем -крахмал и гемицеялюлозы Выход крахмало-белкового продукта варьировался в широких пределах (от 63,1% до 110,0%) Установлена корреляционная зависимость содержания крахмала и гемицеллюлоз в данном продукте от состава сырья, а также выявлено повышение в нем ферментативной атакуемости крахмала.

Вторым вторичным продуктом является нерастворимый остаток, содержащий клетчатку (8,9-24,0%) и гемицеллюлозы (30,1-45,5%) Он в зависимости от содержания крахмала и качественного состава гемицеллюлоз (состоящих из гексоз) мог быть дополнительным сырьевым источником в технологии этанола

Третьим вторичным продуктом является сыворотка - жидкая фаза с растворенными в ней веществами, среди которых преобладали растворимые углеводы

(781,0-1350,3 мг/100 см3), белки, а по литературным данным - витамины и минеральные вещества Важно отметить, что в технологиях белковых продуктов на специализированных предприятиях сыворотка образуется в значительных количествах В производстве спирта она могла быть использована для замены воды

Табл 11 Показатели качества крахмало-белкового продукта

Сырье для выделения белка Массовая доля, % на С В

Белок Крахмал Клетчатка Гемицеллюлозы

Фракция крупки из пшеницы 5,7 58,3 2,0 21,5

Фракция шелухи из пшеницы (образец № 1)х) 5,3 39,0 5,9 31,2

Фракция шелухи из пшеницы (образец № 2)х) 5,5 40,1 5,8 28,5

Фракция шелухи из пшеницы (образец № 3)х) 5,1 42,3 5,7 23,1

2-х компонентная смесь (пшеница рожь) 6,1 60,1 2,1 27,7

2-х компонентная смесь (пшеница ячмень) 5,6 64,1 7,5 20,3

" Процент снятия шелухи в образцах № 1,№ 2, № 3 соответственно 15%, 20%, 30%

Дополнительное внесение с сывороткой свободных Сахаров, аминного азота, содержание которых варьировалось в пределах 152-517 мг/100 см3 и 4,1-5,5 мг/100 см3, могло в дальнейшем интенсифицировать процесс спиртового брожения

Получение и сбраживание сусла с использованием вторичных продуктов при производстве пищевых белков

Эффективность стадий получения и сбраживания сусла определяется многими факторами, в первую очередь качеством сырья и режимами его переработки

В связи с тем, что вторичные продукты от получения белков имели щелочную (крахмало-белковый продукт и нерастворимый остаток) или кислую (сыворотка) реакцию среды необходимо было определить рН сусла при их возврате в технологию этанола Установлено, что полный возврат двух продуктов крахмало-белкового и сыворотки позволяет создавать кислотность сусла на уровне контроля (5,9-6,2), трех - сдвигает рН сусла в щелочную сторону

Таким образом, при получении сусла с использованием вторичных продуктов, необходимо определять рН замеса и, в случае отклонений, дополнительно подкислять, либо на стадии выделения белков использовать больший гидромодуль

Результаты анализа сусла контрольного и опытных образцов, полученных с возвратом в основную технологию крахмало-белкового продукта и сыворотки,

показали, что наблюдалось снижение общего содержания сухих веществ на 0,30,8%, против контроля Это связано с тем, что из технологии этанола выводились два продукта белковая паста и нерастворимый остаток Вместе с тем, массовая концентрация сбраживаемых углеводов, определяющая выход спирта, в опытных образцах превышала контроль (13,75-13,92% против 13,69%) Одновременно в них накапливались низкомолекулярные продукты содержание редуцирующих Сахаров и аминного азота возрастало в среднем в 1,5-2 раза

Данные анализа сусла с внесением в замес трех вторичных продуктов показали, что содержание сухих веществ повышается на 0,8-3,5%, однако другие показатели имеют тенденцию к ухудшению Вероятно, значительное содержание гемицеллюлоз в нерастворимом остатке препятствовало набуханию крахмала, его переходу в растворимое состояние и ферментации Поэтому его внесение в замес не оправдано, целесообразнее использовать данный продукт в кормопроизводстве

Исследования процесса брожения контрольного и опытных образцов сусла показало, что использование на стадии замеса крахмало-белкового продукта и сыворотки позитивно влияло на процесс (табл 12)

Табл 12 Сравнительная характеристика показателей качества бражки

Показатели бражки Образцы бражки по вариантам

К 01 OII OUI OIV

Крепость дистиллята, % об 7,11 7,10 7,20 7,12 6,98

Массовая концентрация растворимых углеводов, г/100 см3 0,30 0,24 0,19 0,18 0,31

Массовая концентрация нерастворимого крахмала, г/100 см3 0,15 0,10 0,09 0,08 0,09

Выход спирта из 1 т зерна, дал 35,6 35,5 36,0 35,6 34,9

К - переработка зерна по традиционной схеме, OI, ОН, OUI, OIV - переработка зерна с выделением крупки (20%), шелухи (15%, 20% и 30%) соответственно

Установлено, что содержание примесей в образцах бражки не коррелировало с накоплением этанола- среды, имеющие одинаковое количество спирта (7,10-7,12%об), отличались по составу и количеству примесей (4026,3-4834,2 против 5337,8 мг/дм3), в том числе метанола (в опытных образцах его в 2,5-3,0 раза меньше)

В целом, доказана перспективность переработки крахмалосодержащего сырья (зерна различных видов, зерносмесей) по комплексной технологии с выработкой этанола и пищевых белковых продуктов, включающей новые технические решения проблемы повышения эффективности использования зерна, защищенные патентами РФ № 2180921 и № 2210595

2.2.5. Разработка ресурсосберегающей технологии этанола на основе ИК-обработки зерна

Настоящий раздел работы посвящен совершенствованию однопродуктовых схе\ переработки зерна в этанол путем решения проблем, связанных с качеством посту пающего в производство зерна Его можно целенаправленно изменить, в том числе применив метод ИК-нагрева Причем, как отмечено в работах Гинзбурга А С , Красни кова В.В , Зверева С В , Кирдяшкина В В и других глубина и характер данных изме нений зависят от режимов обработки, характеристик зерна и требований отрасли Е технологии этанола способ ИК-нагрева зерна до настоящего времени не применялся Целенаправленное изменение свойств зерна при ИК-обработке Работа предусматривала выполнение целого комплекса исследований (рис 6) В качестве объектов исследования использовали специально подготовленные пробы зерна с \У=12,0%, 14,0%, 16,0%, 18,0% Обработку зерна проводили при температурах 110-150 и мощности лучистого потока Е=22-24 кВт/м1

Основным биохимическим показателем, оценивающим влияние способов воздействия на зерно в спиртовом производстве, является «Условная крахмали-стость», определяющая выход этанола из единицы сырья

Установлены допустимые по данному показателю температуры ИК-нагрева для пшеницы ^=12,0% - 1=150 °С, \У=14,0-18,0% - 1=140 °С) и ржи (\У=12,0-14,0% -4=140 °С, W=16,0-18,0% -1=120 °С)

Показано, что ИК-обработка пшеницы и ржи приводит к возрастанию массовой доли декстринов в пробах, причем наиболее существенно, независимо от зерновой культуры, в вариантах с \У=16,0-18,0% Возрастает ферментативная атакуе-мость крахмала и белка На величину доступности крахмала к воздействию влияет как вид сырья, так его влажность и температура микронизации По сравнению с пшеницей уровень повышения ферментативной атакуемости крахмала ржи ниже

Вероятнее всего, причиной может быть наличие в данной культуре повышен ного количества веществ, препятствующих доступу амилаз к крахмалу, в частно сти растворимых гемицеллюлоз, присутствующих в виде гумми-веществ и слизей В целом, ферментативная атакуемость крахмала опытных образцов увеличивается в 1,5-3,5 раза, белков - в 1,5-2,0 раза, что весьма позитивно с позиции оценки технологических свойств сырья спиртового производства

Также в настоящей работе рассматривалось влияние режимов ИК-обработки пшеницы на микробиологические показатели зерна В качестве контрольных использовали 2 образца без обработки и с гидротермической обработкой (ГТО)

Возмущающие параметры

ПВС

ТО

л а. н

о

г

я воз в и X

3 г

В!

4 «

«

с-

1= >>

ХС

\Уз

1п

Процесс целенаправленного изменения технологических свойств пшеницы и ржи при ИК-обработке зерна

,11__П Гр.с. М Адр Т Ауд Ауд*Ауд КОЕ Кр Д

Кр ^ . Гр.с.

Адр Ауд

>

КОЕ

Фат

а. н

<и

я й.

л

г

о к ч а а

а. в

Б Фат

Измеряемые и рассчитываемые параметры

Wз-влaжIIOcть зерна, Ш-температура ИК-нагрева, Е-интснсивпость ИК-нагрсва, ПВС-параметры внешней среды, ХС-химический состав сырья, ТО-технологические отклонения, Н-натура зерна, П-плотиость зерна, Гр с -гранулометрический состав помолов, М-модуль крупности, Адр-условпая работа дробления, Р-максимальное усилие перемешивания замеса, Ауд-удсльная энергия деструкции крахмала, Ауд*-удельная энергия деструкции амилозы, Ауд**-удельная энергия деструкции амилопектина, КОЕ-уровень микробиологической чистоты зерна, Кр-условная крахмалистость, Д-массовая доля декстринов, Б-массовая доля растворимого белка, Фат-фсрментативная атакуемость крахмала и белка зерна

Рис 6 Параметрическая схема процесса целенаправленного изменения технологических свойств пшеницы и ржи при ИК-обработке зерна

Эксперименты проводили на 2-х партиях пшеницы 1-ая - с поврежденной, 2-ая - с неповрежденной оболочкой Установлено, что эффект ИК-обработки (по показателю кислотности проб) выявлен для обоих образцов зерна в отличие от ГТО, где необходимого уровня снижения кислотности удается достичь только для образца из второй партии

Для объяснения установленного факта в работе изучена зпифитная и субэпи-дермальная микрофлора зерна (табл. 13) Установлено, что ИК-обработка позволяет получить зерновку с содержанием микроорганизмов на уровне 1-2 тыс КОЕ/г Метод ГТО также эффективно снижает уровень эпифитной микрофлоры, но не действует на субэпидермальную, с чем и связано закисание проб из партии № 1

Табл 13 Влияние методов тепловой обработки пшеницы на микрофлору зерна

Температура ИК-нагрева, еС Образец ОМЧ, тыс КОЕ/г Бактерии, тыс КОЕ/г Грибы, тыс КОЕ/г

МПА СА МПА СА МПА СА

Эпифитная микрофлора

Контроль I 1 320 155 309 137 11 18

(без обработки) 2 67 70 57 59 10 И

Контроль II (ГТО) 1 5 6 3 4 2 2

2 4 3 3 3 1 —

Опыт (ИК-обработка) 1 2 2 2 2 - -

2 2 2 2 2 - -

Субэпидермальная микрофлора

Контроль I (без обработки) 1 101 91 85 75 16 16

2 25 22 19 17 6 4

Контроль II (ГТО) 1 55 41 52 34 3 7

2 7 10 7 9 - 1

Опыт (ИК-обработка) 1 2 2 2 2 - -

2 1 1 1 1 - -

Отдельный этап исследований посвящен выявлению влияния режимов ИК-нагрева на реологические характеристики зерна, путем определения работы, затрачиваемой на дробление (табл 14, 15), гранулометрического состава помолов, а также анализа углеводно-амилазного комплекса исходного и обработанного зерна (табл 16).

Установлено, что динамика дробления зерна, определенная по соответствующим кривым, зависит от вида сырья, его исходной влажности и температуры ИК-нагрева Показано, что эффективность способа ИК-обработки для пшеницы, оцененная по сравнению с контролем по показателю Адр, в целом более существенна при использовании зерна с Ш=14,0-18,0%, чем проб с ''^=12,0% Также выявлено,

что на выбор оптимальной температуры ИК-нагрева влияет влажность сырья Выбранные режимы обработки позволяют снизить энергозатраты на получение мелкого помола из пшеницы на 40-50% по сравнению с контролем, ржи - только на 20-30% Вероятно, это связано с особенностями химического строения ржи

Табл ¡4 Влияние режимов ИК-нагрева зерна на работу, затрачиваемую на дробление

Темпер ИК-нагр, »С Работа, затрачиваемая на дробление (Адр), уел ед

Пшеница Рожь

W=12% W=14% W=16% W=18% №=12% W=14% W=16% W=18%

Контроль 72,5 77,4 88,7 106,3 86,5 94,5 101,5 -

110 58,2 64,0 64,3 62,5 71,5 73,0 81,2 97,7

120 57,8 47,5 64,1 62,1 61,0 72,8 79,7 89,8

130 52,3 60,3 50,2 59,7 61,8 75,3 79,2 86,8

140 48,0 50,5 57,0 50,0 57,7 71,2 76,7 83,0

150 36,5 39,7 47,4 50,5 53,0 66,7 72,0 78,5

Для подтверждения выдвинутого предположения в работе были сняты кривые дробления опытных образцов шелушенного зерна пшеницы и ржи Обработка данных кривых показала (табл 15), что прослеживается четкая зависимость между исходной влажностью ржи и разницей в работе, затрачиваемой на дробление целого и шелушенного зерна, подвергнутого ИК-нагреву Вероятно, с повышением влажности ржи возрастают пластические деформации в оболочках зерна за счет растворения находящихся в них гум.ми-вещестп и слизей и заполнения ими капиллярно-пористой структуры поверхностных тканей

Табл 15 Влияние шелушения ИК-обработанного зерна на Адр

Влажность зерна Работа, затрачиваемая на дробление (Адр ), уел ед

до шелушения после шелушения

пшеница рожь пшеница рожь

W=12% 57,8 61,0 55,1 59,2

W=14% 47,5 72,8 43,7 63,7

W=16% 64,1 79,7 61,0 66,2

W=18% 62,1 89,8 57,9 75,7

Исследование гранулемегрического состава помолов позволило выявить, что процентное содержание крупной фракции в помолах из обработанного зерна, значительно ниже, чем из исходного, эффективность процесса дробления возрастает с увеличением температуры ИК-нагрева, минимальное значение процента снижения крупной фракции соответствует пробам пшеницы с №=12,0%, а максимальное значение имеют образцы с №=18,0%

При анализе углеводно-амилазного комплекса исходного и микронизирован-ного зерна пшеницы установлено следующее выявлены оптимальные по значениям энергии деструкции опытные образцы пшеницы, прошедшие стадию ИК-нагрева, показано, что максимальный эффект по снижению значения показателя энергия деструкции крахмала установлен для образцов с №=14,0-16,0%, прошедших микронизацию при 1=120-130 °С (табл 16)

Табл 16 Влияние режимов ИК-нагрева зерна на параметры амилограмм

Темпер ИК-нагрева, °С Энергия деструкции крахмала, Дж/г Максимальное усилие перемешивания, Н

W=12% W=14% W=16% W=18% W=12% W=14% W=16% W=18%

Контроль 2,372 2,201 2,295 2,170 1,53 1,47 1,62 1,60

110 2,350 1,870 1,417 1,609 1,50 1,33 1,25 1,47

120 2,273 1,903 1,393 1,580 1,57 1,28 1,30 1,42

130 2,145 1,295 1,528 1,873 1,41 1,18 1,33 1,39

140 2,016 1,567 1,603 1,927 1,35 1,30 1,41 1,50

150 2,057 1,490 1,715 1,950 1,37 1,26 1,40 1,56

Информация о деструкции амилозы и амилопектина, а также о температуре перехода упорядоченной структуры зерен крахмала в неупорядоченное состояние получена на основании анализа кинетики изменения реологических свойств клей-стеризованной водно-мучной суспензии при анализе амилограмм, на которых специально выделяется два пика клейстеризации. Математическая обработка таких амилограмм может быть описана уравнением вида

F(t)=ai • Exp [X, (t - b,)2] + аг • Exp [X2-(t- Ь2)г] + с

где ai, 02 u Ь/, Aj - максимумы вязкости Fi и F? (II) и соответствующие им температуры ¡¡, 1г (°С), h, fa- скорости деструкции крахмальных фракций (с'), с - минимальная вязкость (Н)

Установлено, что во всех образцах энергия, необходимая для деструкции ами-

лопектинной фракции, значительно превосходит энергию, затрачиваемую на разрушение амилозы В среднем превышение составляет в 2-5 раз Также показано, что при использовании в качестве образца пшеницы с W=12,0% уровень снижения энергии деструкции крахмала идет за счет фракции амилозы, а при использовании зерна с W=14,0% в лучших вариантах за счет фракций и амилозы, и амилопектина. Разработка реологической модели ИК-обработанного зерна Управление качеством продуктов возможно при наличии разработанной математической модели, отражающей связи, например, показатели реологических свойств полупродуктов с управляющими параметрами на каждой стадии процесса

После снятия кривой релаксации напряжений определен вид ее математической модели (формулы 1, 2) и установлены численные значения параметров реологического поведения зерна - модулей упругости (Е1, Е2, ЕЗ) и вязкости (г| 1, г|2) с0=[о1 ехр(-А.1 т)+а2 схр(-Х2 т)1+<т3 [1]

<г(г) =

Е Е

Е1 ехр(—1 т) + Е2 - ехр(—- т) + Ег

7?. ъ

[2]

сг = Р/Б, 8=лё74, а = Ее

Условные обозначения со - общее нормальное механическое напряжение. Па, С/ - нормальное напряжение после мгновенной релаксации, Па, 05 - нормальное напряжение после длительной релаксации, Па, аз - нормальное остаточное напряжение, Па, а(т) - текущее напряжение. Па, Л;, Х2 - скорость мгновенной и длительной релаксации механических напряжений, с'1, х - текущее время, с, , Ег, £, - соответствующие модули упругости, Па, 7],, г]2 - коэффициенты динамической вязкости, Па с, £ - относительная деформация, /■' - усилие нагружения, Н, 5 -площадь ипдентора, м2, аI - диаметр индентора, м

Данная математическая модель позволяет установить зависимость реологических показателей от влажности зерна и режимных параметров ИК-обработки, и с учетом комплекса проведенных исследований рекомендовать оптимальные режимы микронизации зерна, предназначенного для переработки в спиртовой отрасли

Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна пшеницы

ИК-обработка при оптимальных для соответствующих влажностей зерна температурах нагрева существенно улучшает технологические свойства исходного сырья, что дает основание предложить способ получения сусла по методу «холодного» затирания (1=58-60 °С, т=4-5 ч), при разработке режимов которого в качестве варьируемых параметров исследовались нормы дозировок амилолитических и протеолитических ферментных препаратов

Установлено, что независимо от варианта получения сусла все образцы, где в качестве сырья применяли ИК-обработанную пшеницу, характеризовались повышенным содержанием в них растворимых сухих веществ в сравнении с образцами, полученными из исходного зерна (14,83-15,80% против 13,45-14,16%)

Были определены рациональные нормы ферментных препаратов - использование 2,0 ед АС и 5,0 ед ГлС на 1 г условного крахмала зерна Показано, что ввод в замес микробных протеаз повышает уровень перехода веществ зерна в сусло

При сравнении контрольных образцов сусла установлено (табл 17), что, несмотря на использование в KII более мелкого помола (100%-ный проход через сито d=l,0 мм), чем традиционно применяемого в типовых схемах, метод «холодного» затирания не позволяет достичь показателей качества сусла KI Вместе с тем, переработка микронизированного зерна по предлагаемому способу перспективна Лучшие опытные образцы 011 и OIII характеризуются большим накоплением сбраживаемых углеводов, в том числе свободных редуцирующих Сахаров В них в 1,3-2,8 раз увеличивается содержание аминного азота, возрастает видимая доброкачественность сусла

Табл 17 Сравнительная характеристика показателей качества сусла

Показатели сусла Образцы сусла по вариантам

KI К II 01 011 OUI

Массовая доля, %

- сухие вещества 15,93 14,17 15,09 15,76 15,40

- сбраживаемые углеводы 11,52 10,20 11,60 11,95 11,94

- редуцирующие сахара 3,05 4,07 4,83 5,02 4,94

- аминный азот 0,06 0,06 0,03 0,08 0,17

Видимая доброкачественность, % 72,3 72,0 76,9 75,8 77,5

КI- исходное зерно, режим Регламент, КII- исходное зерно, разработанный режим,

01,0 II, О III ~ ИК-обработанное зерно, разработанный режим без внесения протеаз, с внесением Нейтразы и Алкалазы соответственно

При сбраживании сусла в качестве основных целей были поставлены задачи интенсификации процесса, достижения максимального выхода этанола и минимальное накопление примесей в зрелой бражке В качестве варьируемых параметров исследовались продолжительность сбраживания и норма задачи дрожжей

Впервые установлено, что качественный состав примесей опытных образцов бражки, полученных из ИК-обработанного зерна, аналогичен составу бражки из необработанного зерна Также показано, что нормы засева дрожжей и продолжительность сбраживания влияют на суммарное количество примесей и их состав

Для выявления оптимальных параметров процесса брожения полученные данные были математически обработаны Установлено, что максимальное содержание этанола в бражке при минимальном накоплении летучих примесей соответствует варианту время брожения 60 ч, норма задачи дрожжей 15,0 млн/см3 сусла

Таким образом, доказана перспективность введения в технологию этанола стадии ИК-обработки зерна и перевода процесса на способ «холодного» затирания

Новое техническое решение, положенное в основу данной технологии, защищено патентом РФ № 2265663 Кроме того, на основе ИК-нагрева разработаны и другие технологии этанола, защищенные патентами РФ № 2221872, № 2301261

2.2.6. Разработка ресурсосберегающей технологии этанола из инулинсо-держащего сырья (топинамбура)

Одним из возможных путей решения проблем спиртовых заводов, связанных с низкой рентабельностью и трудностями в снабжении предприятий сырьем, является использование в технологии нетрадиционных видов, например, топинамбура Исследование фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура Выход и качество этанола при переработке сырья зависят во многом от его химического состава, определяющими показателями которого для топинамбура являются фруктозаны, целлюлоза, гемицеллюлозы и пектиновые вещества

В работе впервые было проанализировано содержание инулина и пектиновых веществ по анатомическим частям топинамбура и установлено (табл. 18), что основная масса фруктозанов (до 80%) сосредоточена во внутренних слоях Пектиновые вещества (60-75%) наоборот концентрируются в периферийных слоях клубней Табл 18 Распределение инулина и пектиновых веществ по анатомическим частям

Показатели Анатомические части топинамбура

Покровный слой Верхний слой Внутренний слой

Массовая доля инулина в ¡фобе, % на СВ 19,7-21,2 78,8-83,7 79,2-94,3

Содержание инулина в пробе, % от общего в топинамбуре 3,4-3,7 10,2-11,5 79,1-82,1

Массовая доля пектиновых веществ в пробе, % на С В 10,95-18,77 0,73-1,47 0,80-0,97

Содержание пектиновых веществ в пробе, % от общего в топинамбуре 61,4-74,7 3,2-4,5 22,2-22,7

Для оценки свойств сырья кроме общего содержания фруктозанов, принципиальное значение имеет и их фракционный состав В соответствии с разработанной схемой в образцах топинамбура определены фракции и установлено их содержание Ф1-свободные сахара (незначительно); ФП-среднемолекулярные фракции фруктозанов (29,1-33,9%), ФШ-высокомолекулярные фракции фруктозанов (41,0-54,4%) Причем следует учесть плохую растворимость последних

Определение содержания и изучение свойств пектина и протопектина Имеющихся в литературе сведений по характеристике пектинового комплекса клубней недостаточно, чтобы прогнозировать влияние параметров его переработки на качество этанола Необходимо знать соотношение в нем растворимого и нерастворимого пектина Проведенный анализ образцов топинамбура показывает, что они характеризуются преобладанием протопектина (78,6-89,9% от общего содержания)

Этот факт рассматривается в спиртовой отрасли как позитивный

Впервые изучены свойства гидрата- и протопектина топинамбура Для этого получены образцы сухого пектина по схеме, параметры в которой выбраны на основании получения пектина из традиционных видов сырья Установлено, что покровные и особенно внутренние слои топинамбура, из которых выделяли пектин в настоящей работе, содержали значительные количества растворимых углеводов Для устранения возможного влияния фруктозанов топинамбура на физико-химические свойства образцов сухого пектина была проведена предварительная очистка сырья При этом покровные слои топинамбура рассматривались как сырье для выделения протопектина, а внутренние - растворимого пектина

Анализ полученных образцов пектина (всего 8) показал, что исходный состав сырья оказывает сильное влияние на содержание в них полигалактуроновой кислоты, к примеру, ее массовая доля увеличивается для вариантов получения протопектина из сырья с очисткой с 31,0-33,8% до 64,2-67,1% (табл 19)

Табл 19 Анализ образцов сухого пектина, полученных из покровных слоев клубней

Показатели Образец I Образец II

без очистки после очистки без очистки после очистки

Массовая доля свободных карбоксильных групп, % на С В 3,03 6,16 2,75 6,04

Массовая доля ацетильных групп, % на С В 0,05 0,09 0,03 0,15

Массовая доля метоксилированных карбоксильных групп, % на С В 5,17 9,41 4,80 10,15

Степень метоксилирования, % 63,0 60,4 63,6 62,7

Содержание метоксильных групп,% 3,6 6,5 3,3 7,0

Массовая доля полигалактуроновой кислоты, % на С В 33,8 64,2 31,0 67,1

Вероятнее всего выделение пектина и его последующее осаждение этанолом из сырья, содержащего большое количество балластных соединений (фруктоза-нов), сопровождается переводом в осадок сопутствующих веществ, которые не в полной мере удаляются при отмывке образцов по принятой классической схеме

Вместе с тем, установлено, что степень метоксилирования сухого пектина практически не зависит от состава сырья и варьируется для образцов, полученных из внутренних слоев топинамбура в пределах 65,7-71,6%, выделенных из покровных тканей в интервале 60,4-63,6%, то есть гидрато- и протопектин топинамбура относится по классификации к Н-пектину (высокоэтерифицированному)

Характеристика ферментного комплекса топинамбура Для выбора перспективных направлений в области создания высокоэффективных технологий переработки топинамбура в этанол необходимы дополнительные данные по характеристике ферментов, участвующих в гидролизе фруктозано-пектиназного комплекса В работе была определена суммарная гидролазная активность и активность свободных форм инулиназ Установлено, что суммарная гидролазная активность составляла 0,63-0,97 ед ИЕ/г топинамбура Также показано, что среди инулиназ преобладали связанные формы Пересчет инулиназной активности на 1 г инулина сырья позволил точнее оценить ее с позиции спиртовой отрасли В образцах клубней общая гидролазная активность находилась на уровне 3,3-4,5 ед ИЕ/г инулина сырья, то есть была в 1,5-2,0 раза меньше принятой в отрасли нормы глюкоамилазной активности Поэтому была предпринята попытка активизировать собственные инулиназы топинамбура

В литературе нет данных по указанному вопросу Среди исследованных способов активации добавление в затор дрожжевого автолизата, обработка среды с использованием кавитационного воздействия, внесение в дробленую массу топинамбура ионов Са+2, последний оказался наиболее эффективным (табл 20)

Табл 20 Влияние концентрации СаБО^ на степень гидролиза углеводов топинамбура

Концентрация СаБО*, % к массе сырья Массовая доля свободных Сахаров, % на С В % к контролю

Гидромодуль 1 0,5 Без Н20 Гидромодуль 1 0,5 БезН20

Контроль 22,79 13,03 100 100

0,005 26,15 15,14 115 116

0,01 35,07 17,69 154 136

0,05 31,04 14,06 136 108

0,1 12,43 7,62 59 58

0,5 10,14 7,04 44 54

Установлено, что при определенной дозировке ионов Са наблюдается значительное увеличение в сусле содержания свободных Сахаров

В работе были определены оптимальные условия действия инулиназ топинамбура Установлено, что инулиназы проявляют максимальную активность в нейтральной среде при 1=45-50 °С В слабокислой среде их активность составляет 7580% и резко снижается в щелочной зоне рН Внесение ионов Са+2 в концентрации 0,01% СаБОдК массе сырья активирует инулиназы клубней (при рН 6,0 на 30%) и

расширяет температурный диапазон их действия, что позитивно влияет на процесс получения и сбраживания сусла

В целом, путем подбора оптимальных условий действия общая гидролазная активность топинамбура может быть повышена до 4,5-6,0 ед ИЕ/г инулина сырья

В результате определения пектинэстеразной активности клубней установлено (табл 21), что при расчете на 1 г топинамбура она составляет 0,22-0,35 ед, а на 1 г пектина сырья варьируется в пределах 36,6-41,9 ед

Табл 21 Пектинэстеразная активность клубней топинамбура

Пектинэстеразная активность Топинамбур

Образец I Образец II Образец III Образец IV

ПЕ, ед/г топинамбура 0,27 0,24 0,22 0,35

ПЕ, ед/г пектина сырья 36,6 39,5 41,9 38,4

Установлено, что пектинэстераза топинамбура проявляет максимальную активность в нейтральной среде при рН 6,0-7,0 и 1=40-45 °С Путем подкисления сусла до рН 4,5-5,0 можно снизить ее активность на 25-50% При г=30°С, то есть температуре сбраживания, пектинэстераза топинамбура активна Внесение в замес ионов Са+2 повышает ПЭ в среднем на 10-15%

Обобщая все вышесказанное, можно отметить, что новые, полученные в ходе выполнения работы данные, по характеристике ферментного комплекса топинамбура, позволяют более обоснованно подойти к вопросу переработки данного нетрадиционного сырья и прогнозировать параметры стадий получения из него этанола Сравнительная характеристика способов подготовки клубней к сбраживанию Все известные в литературе методы, направленные на изменение фруктозанов сырья в сторону процентного повышения в них фракций Ф1 и ФИ (цель и настоящей работы), можно сгруппировать на осуществляемые с помощью кислотного гидролиза, механической деструкции и ферментативного гидролиза

Установлено, что кислотный гидролиз не может быть рекомендован для подготовки клубней, предназначенных к переработке в этанол, так как в зависимости от температуры, либо незначительно деструктурирует углеводы, либо разрушает их Также не целесообразно ориентироваться на использование механических методов

Наиболее перспективный способ - ферментативный гидролиз инулина, который может быть осуществлен как под действием собственных инулиназ сырья, так и ферментных препаратов, обладающих данной активностью В работе использовался ферментный препарат Ксилоглюкаиофоетидин ШОх

В связи с отличиями в значениях оптимального рН для действия инулиназ топинамбура и препарата Ксилоглюканофоетидин П10х были проведены исследования по определению влияния параметра рН на эффективность их совместного действия.

Установлено (рис. 7), что экзо- и эндоинулиназы топинамбура и ферментного препарата дают два пика, причем суммарная активность инулиназ при значениях рН, близких к нейтральным (оптимум действия инулиназ топинамбура), примерно в 1,5 раза выше, чем в кислой среде (оптимум действия инулиназ препарата), а поэтому далее исследовалась возможность получения сусла из клубней, предусматривающего самоосахаривание сырья только за счет своего ферментного комплекса.

е

5

Рис. 7. Влияние рН среды на процесс гидролиза массы из топинамбура под действием собственных инулиназ сырья и препарата Ксилоглюканофоетидин П10х

Установлено, что при обработке смеси, состоящей из измельченного топинамбура, воды и с внесенными для активации инулиназ сырья ионами Са 2, в течение 3-х часов при естественном рН среды в пробах, выдержанных при 1=50-60 °С, накапливается максимальное количество свободных Сахаров (30-33%), что соответствует примерно 40% от общего содержания фруктозанов в топинамбуре.

Влияние способов асептирования на микробиологическую чистоту сусла и физиологическое состояние спиртовых дрожжей

Исключив из технологии стадию высокотемпературной обработки сырья, то есть классическое разваривание замеса, возникает угроза инфицирования сусла посторонними микроорганизмами. Поэтому возникает необходимость применения альтернативных вариантов, повышающих микробиологическую чистоту сусла.

В настоящей работе исследованы следующие способы высокотемпературный нагрев (Контроль), с применением асептического препарата формалина или антибиотика низина. Данных по применению последних в технологиях этанола из топинамбура в литературе не обнаружено

Асептирование сусла осуществляли 4,0%-ным раствором формалина из расчета 0,5%, 0,75% и 1,5% к объему сусла (образцы соответственнд 01(ф), 02(ф>, 03(ф)) и при внесении в среду 100 ед, 1000 ед и 10000 ед низина на 100 см3 сусла (образцы соответственно 01(„), 02(н), 03(н)) (табл 22)

Табл 22 Содержание микроорганизмов в процессе сбраживания сусла из топинамбура с использованием дрожжей 5 сегеумае расы XII

№ опыта Количество микроорганизмов

24 часа брожения 72 часа брожения

Бактерии, тыс КОЕ/см3 Бактерии, тыс КОЕ/см3

Спорообр Кислотообр Спорообр Кислотообр

Контроль - - - -

01(ф) 73 28 190 48

02(Ф) 17 1 15 3

03(ф) 4 1 4 1

01(н) 75 29 88 31

02(„) 10 3 12 3

03(„) 3 - 1 -

Установлено, что применение формалина при обработке сусла из топинамбура дает хороший эффект при норме задачи 0,75-1,5% к объему сусла, а низина, взятом в количестве 1000 10000 ед /100 см3 сусла.

Природа асептика влияет и на физиологическое состояние дрожжей, которое в работе оценивали по бродильной активности, количеству почкующихся, мертвых клеток и клеток с гликогеном Показано, что формалин, относящийся к плазматическим ядам, может быть использован до концентрации 0,75% 4,0%-ного формалина к объему сусла, при 1,5% - угнетается развитие спиртовых дрожжей

Норма задачи низина, достаточная для поддержания асептической чистоты среды, не оказывает отрицательного влияния на спиртовые дрожжи Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура Цель данного этапа - определить расы спиртовых дрожжей, применение которых максимально удовлетворит требованиям отрасли при переработке топинамбура, а также подобрать способы получения засевных дрожжей с позиции привыкания дрожжевых клеток к сбраживанию инулинсодержащего сырья

В работе применяли чистые культуры спиртовых дрожжей XII, 1-563 и термотолерантная, из которых засевные дрожжи получали методом последовательных пересевов на разные среды: солодовое сусло, смесь солодового сусла и сока топинамбура (11), смесь солодового сусла и гидролизата сока топинамбура (11), сок топинамбура.

Установлено, что для сбраживания сусла из топинамбура лучше использовать XII расу, либо термотолерантную Оптимальным способом производства дрожжей является на стадии разбраживания - среда, состоящая из смеси солодового сусла и гидролизата сока топинамбура, на стадии накопления биомассы - та же среда для XII расы, либо сок из топинамбура - для термотолерантной расы

Выращивание засевных дрожжей по указанным режимам способствует большему накоплению дрожжевых клеток (для XII расы до 140 млн/см3 против 105 млн/см3 в контроле), возрастает процентное содержание клеток с гликогеном

Результаты сравнительного анализа образцов бражки (табл 23) показали, что максимальное количество спирта накапливается при сбраживании сусла (образцы 0(ф), О(ф)'- асептирование формалином 0,75%, 0(„), 0(„/- асептирование низином 1000 ед/100 см3), не прошедшего на стадии подготовки гидротермической обработки, то есть с сохраненной активностью собственных ферментов сырья

Также отмечено, что использование низина для поддержания асептики процесса, вместо применения относительно «жесткого» препарата - формалина, предпочтительнее, если сбраживание проводят при 1=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

Табл 23 Сравнительная характеристика состава образцов бражки

Показатели бражки Образцы бражки по вариантам

Раса XII Термотолерантная раса

К1 К2 °(Ф) 0(н) К1' К2' о(Ф/ 0(»)'

Крепость дистиллята, % об 7,25 5,90 7,03 7,59 6,95 5,41 7,26 6,90

Массовая концентрация растворимых углеводов, г/100 см3 0,37 0,85 0,24 0,10 0,40 0,72 0,09 0,15

Выход спирта из 1 т условного крахмала, дал 64,7 60,3 64,6 65,1 64,3 61,0 64,8 64,4

К1-сусло из картофеля по схеме с развариванием,

К2-сусло из топинамбура по схеме с развариванием и осахариванием Ксилоглюканофоетидином

Впервые установлено, что качественный состав примесей бражки опытных образцов и контрольного, полученного при переработке картофеля, идентичен (табл 24).

Вместе с тем, выявлено значительное влияние технологических факторов на процесс их образования Высокотемпературная обработка топинамбура негативно отражается на качественных показателях бражки идет образование соединений угнетающе действующих на дрожжи, происходит распад пектиновых веществ, как за счет температурного фактора, так и вследствие ферментативного гидролиза Препарат Ксилоглюканофоетидин ШОх обладает экзополигалактуроназной активностью. Табл 24 Сравнительный анализ образцов бражки по содержания основных примесей

Основные примеси, мг/дм3 безводного спирта Образцы бражки по вариантам

К1 К2 0(ф) 0(н)

Ацетальдегид 82,5 102,7 76,5 10,9

Метилацетат 10,7 273,5 190,4 142,6

Этилацетат 351,6 94,8 52,1 -

Метанол, % об 0,10 0,38 0,15 0,11

1-пропанол 522,0 208,3 219,0 196,5

Изобутанол 1016,9 1427,2 1100,5 1250,4

1-бутанол 53,7 220,9 133,4 181,2

Изоамилол 2300,6 3160,3 2481,5 2095,7

Суммарное количество примесей 4338,0 5487,7 4253,4 3877,3

Кроме того, установлено, что образование примесей в бражке зависит от способа асептирования сусла Так, к примеру, в процессе сбраживания сусла из топинамбура, обработанного низином, при 1=28-30 °С накапливается в среднем на 1015% меньше примесей, чем при использовании формалина. Также состав примесей бражки зависит и от специфических особенностей используемых рас дрожжей

Таким образом, оптимальными способами производства этилового спирта из топинамбура являются те, которые включают

- на стадии подготовки сырья к сбраживанию гидролиз инулина топинамбура под действием собственных инулиназ, активированных внесением в среду ионов Са+\

- на стадии сбраживания подготовку засевных дрожжей путем последовательного размножения на средах с адаптацией их к ее составу; выбору оптимального асеп-тирующего средства в зависимости от расы дрожжей и температуры сбраживания.

Перспективность получения этилового спирта из инулинсодержащего сырья -топинамбура подтверждена патентами РФ № 1369034 и № 2144084

2.2 7. Технологические аспекты создания комплексных технологий переработки топинамбура в спиртовом производстве

Самыми перспективными с позиции максимального использования сырья, являются многопродуктовые схемы его переработки В полной мере это относится и к топинамбуру. Для комплексного использования клубней в спиртовой отрасли необходимо выделить из сырья жидкую фазу (осветленное сусло), направив ее на сбраживание, а твердую фазу (жмых) - для выработки пектинопродуктов В работе рассмотрены три варианта получения осветленного сусла

1 - выделение из измельченного топинамбура сока путем прессования

2 - выделение из измельченного топинамбура сока путем прессования и дополнительный перевод фруктозанов в сусло путем обработки мезги (2-х ступенчатая схема)

3 — осахаривание смеси из измельченного топинамбура с водой с последующим прессованием пульпы и выделением жидкой фазы (1-но ступенчатая схема)

В качестве критериев оценки эффективности процесса разделения были выбраны-

1 - максимальный выход жидкой фазы из единицы перерабатываемого топинамбура и перевод в нее максимального количества фруктозанов,

2 - минимальный перевод в жидкую фазу пектиновых веществ сырья,

3 - самоосахаривание фракций ФП и ФШ под действием собственных инулиназ сырья

Установлено, что из трех рассмотренных вариантов получения осветленного сусла из топинамбура самым перспективным является способ самоосахаривания смеси из измельченного топинамбура с водой с последующим прессованием пульпы

Вместе с тем, проведенный далее анализ образцов осветленного сусла показал, что по данному способу в жидкую фазу можно перевести не более 55-60% фруктозанов от их исходного содержания в сырье. Решить проблему повышения процента перевода фруктозанов в осветленное сусло, путем увеличения длительности самоосахаривания (до 12 ч) не удалось Установлено, что 30-35% потенциально сбраживаемых углеводов сырья остаются в жмыхе Причем в нем преобладает фракция ФШ, представленная нерастворимыми фруктозанами (табл 25)

Табл 25 Фракционный состав углеводов жмыха

Схема получения осветленного сусла Влага, % Массовая доля, % С В

Фракции инулина

Ф1 ФИ ФШ

1-но ступенчатая 57,5 11,7 5,0 42,7

2-х ступенчатая 59,0 2,0 10,3 51,2

Вероятно, данная часть углеводов находится в клубнях в связанном состоянии, что препятствует их ферментативной деструкции

Внесение на стадию самоосахаривания ферментных препаратов протеолити-ческого и цитолитического действия могло способствовать разрушению клеточных стенок и улучшить процесс получения жидкой фазы Их влияние контролировали по выходу сусла и содержанию в нем фруктозанов (суммы Ф1 и ФН)

Показано (табл 26), что лучшими являются опыты с использованием препаратов Нейтраза и Целловиридин Г20х в оптимальных дозировках 4 ед ПС и 2 ед ОЦС на 1 г сухого вещества сырья Из лучших ферментных препаратов составили МЭК и установили соотношение Нейтразы и Целловиридина Г20х (3 1) Установлено, что использование МЭК вместо отдельных препаратов повышает сумму Ф1 и ФН на 1,5-2% Табл 26 Влияние обработки затора ферментными препаратами на переход фруктозанов в сусло

Название ферментного препарата Объем сусла из 100гтопинамбура, см3 Массовая доля фруктозанов в сусле, % Содержание фруктозанов в сусле, % от исходного в сырье

Контроль 62 16,5 60,7

Целловиридин Г20х 68 19,8 79,9

Целлюкласт 65 16,5 63,6

Нейтраза 70 18,6 77,3

Алкал аза 67 19,1 75,9

Нами показано, что введение в затор активных протеаз и цитаз приводит к снижению массовой доли фракции ФШ до остаточного содержания 3-5% Вероятно, высокомолекулярные фруктозаны высвобождаются из связанного состояния и становятся доступными для гидролиза инулиназами сырья

Кроме влияния ферментов протеолитического и цитолитического действия на переход фруктозанов в осветленное сусло исследовалось их действие на пектиновый комплекс сырья Установлено (табл 27), что использование препаратов повышает массовую долю пектина в сусле Максимальная степень гидролиза протопектина сырья выявлена для образца III, минимальная - для образца И.

Табл 27 Влияние обработки затора ферментными препаратами на переход пектина в сусло

Показатели Варианты получения сусла

Образец I (Контроль) Образец II (Нейтраза) Образец III (Целловиридин) Образец IV (МЭК)

Массовая доля в сусле растворимого пектина, % 0,11 0,15 0,66 0,29

Переход протопектина в сусло, % от исходного в сырье 1,4 7,9 77,7 35,1

В работе была проведена оптимизация параметров процесса получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура методом латинских прямоугольников и определены оптимальные технологические режимы время самоосахаривания затора - 4 часа, температура самоосахаривания затора - 55 °С, содержание Целлови-ридина Г20х в МЭК - 5%

Таким образом, в результате углубленных исследований по изменению фрук-тозано-пектиназного комплекса топинамбура при получении осветленного сусла, удалось перевести максимальное количество фруктозанов сырья в жидкую фазу, провести их глубокую деструкцию и сконцентрировать негативно влияющие на производство этанола соединения - пектиновые вещества в жмыхе

Новое техническое решение, положенное в основу процесса получения осветленного сусла, защищено патентом РФ № 2301832

2.2 8. Разработка технологических схем производства, нормативной документации. Расчет экономической эффективности

На основании проведенных исследований разработаны технологические схемы переработки крахмало- и инулинсодержащего сырья в спиртовой отрасли

- переработки зерна в этанол и кормопродукт на основе биообработки сырья,

- переработки зерна в этанол и белковый продукт путем выделения и целевого использования дифференцированных фракций сырья,

- получения спирта из зерна, прошедшего стадию ИК-обработки, при переводе процесса на низкотемпературный, одноступенчатый способ «холодного» затирания,

- получения этилового спирта из топинамбура на основе самоосахаривания сырья под действием собственных активированных инулиназ клубней

Приведено описание аппаратурных схем разработанных технологий На основании перечисленных технологических схем и опытно-промышленных проверок технологий разработаны опытно-промышленные Регламенты, утвержденные в установленном порядке, а также рассчитана условно-годовая экономия, составившая дчя завода производительностью 3000 дал/сут, в зависимости от технического решения 3,61-19,87 млн руб

В целом, выполненные исследования позволят отечественным спиртовым предприятиям в условиях жесткой конкуренции решить остростоящие проблемы, связанные с положением сырьевой базы отрасли, с выпуском продукции, отвечающей требованиям потребителя одновременно по двум параметрам качество и себестоимость, а также сложной экологической обстановкой заводов и их низкой рентабельностью

Выводы

1. На основании изучения комплекса реологических характеристик при исследовании крахмалосодержащего сырья и изменений в нем в процессе переработки впервые для спиртовой отрасли рекомендованы новые методы, позволяющие оценить изменения прочностных свойств зерна в зависимости от видов воздействия на него и выявить субстратную специфичность технологических сред

2. На основании изучения методов выделения и исследования состава дифференцированных фракций зерна разработан новый биотечнологический способ его предобработки, положенный в основу комплексной технологии этанола и кормопродукта

2.1. Установлено, что предобработка зерна с использованием препаратов ци-толитического комплекса перед выделением фракций, позволяет в зависимости от режимов, природы препарата и его дозировок целенаправленно изменять технологические свойства сырья снижать потери крахмала с выделяемой фракцией, проводить деструкцию некрахмальных полисахаридов в ней, повышать степень доступности крахмала фракции эндосперма к ферментативному воздействию

2 2. Исследование процессов получения и сбраживания сусла из зерна, прошедшего стадию биотехнологической обработки, показало, что возможна переработка сырья по многопродуктовой схеме без снижения выхода этанола при одновременном повышении его качественных характеристик, а также снижении содержания высокомолекулярных некрахмальных полисахаридов во фракции, предназначенной к выработке кормопродукта

2.3. Технология этанола и кормопродукта при переработке зерна защищена патентом РФ № 2162103 Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции составила 6,864 млн руб

3. На основании выделения дифференцированных фракций и их целевом использования разработана комплексная технология переработки зерна на этиловый спирт и пищевые белковые продукты

3.1. Установлены параметры выделения белков из фракций зерна и зерносмесей Впервые показано, что выход белка, его биологическая ценность зависят от фракционного и аминокислотного составов белков сырья

3.2. Впервые детально исследован химический состав вторичных продуктов переработки фракций, на основе которых научно обоснована целесообразность использования крахмало-белкового продукта и сыворотки в технологии этанола Установлено, что использование данных вторичных продуктов при приготовлении замеса позитивно влияло на процесс получения и сбраживания сусла

3.3. Технология этанола и белковых продуктов (препаратов или композитов) защищена патентами РФ №2180921 и Лгз2210595 Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции составила 19,87 млн руб за счет выработки высококачественного этанола и дефицитных пищевых белковых продуктов 4 Разработана ресурсосберегающая технология из ИК-обработанного сырья, в основу которой положен способ целенаправленного изменения исходных технологических свойств зерна

4 1. Выявлена корреляционная зависимость биохимических, микробиологических и реологических характеристик зерна от его вида, влажности и температуры микронизации Разработана реологическая модель, позволяющая оценить глубину данных изменений и обосновать выбор режимов ИК-нагрева

4.2. Установлено, что ИК-нагрев сырья позволяет получать сусло по низкотемпературному одноступенчатому способу «холодного» затирания, что упрощает аппаратурную схему производства, снижает энергозатраты, увеличивает выход этанола

4.3. Технология этанола из ИК-обработанного зерна защищена патентами РФ № 2221872, JVe 2265663, N° 2301261 Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции при переработке пшеницы составила 3,61 млн руб

5. Разработана ресурсосберегающая технология из инулинсодержащего сырья (топинамбура), в основу которой положена низкотемпературная схема подготовки клубней к сбраживанию

5.1. Впервые выявлено активирующее действие ионов Са*2 на инулиназы топинамбура, на основании которого разработан способ самоосахаривант фруктоза-нов сырья, путем внесения в замес CaSO4 в концентрации 0,01% к массе сырья

5 2. Разработан способ асептирования сусла формалином или низином в оптимальных концентрациях и способ попучепия засевных дрожжей путем их культивирования на средах разного состава

5.3 Низкотемпературная технология этаноча га топинамбура защищена патентами РФ № 2144084 и № 2161652 Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции составила 8,434 млн руб (при условии работы завода 9 месяцев на зерновом сырье, 3 месяца - на топинамбуре)

6. Разработан новый способ получения осветленного сусла из топинамбура, защищенный патентом РФ № 2301832, в основу которого положен низкотемпературный способ самоосахаривания фруктозанов клубней и использования ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия, позволяющий предложить многопродуктовую схему для переработки инулинсодержащего сырья

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

I Книги, учебники, учебно-методические работы

1. Приоритеты развития науки и научного обеспечения в пищевых и перерабатывающих отраслях АПК механизм формирования и реализации (Часть И)//Богатырев А Н , Большаков О В , Крикунова Л.Н., Масленникова О А и др -М МГАПП -1995 -226 с

2. Приоритеты развития науки и научного обеспечения в пищевых и перерабатывающих отраслях АПК механизм формирования и реализации (Часть Ш)//Богатырев А Н , Большаков О В , Крикунова Л.Н., Масленникова О А и др -М МГАПП -1995 -160 с

3. Система научного и инженерного обеспечения пищевых и перерабатывающих отраслей АПК России//Богатырев А Н , Большаков О В , Крикунова Л.Н. и др — М Пищевая промышленность - 1995 - 527с

4 Крикунова Л.Н , Ильяшенко Н Г, Кречетникова А Н Методические указания к выполнению лабораторных работ по технологии хлебопекарных дрожжей -М МГАПП -1999 -27с

5 Основы управления инновациями в пищевых отраслях АПК (Наука Технология Эко-номика)//Богатырев А Н , Заверюха А X , Качак В В , Крикунова Л.Н. и др -М МГАПП-1998 -844 с

6. Кречетникова А Н , Крикунова Л.Н., Ильяшенко Н Г Методические указания к выполнению лабораторных работ по технологии ликероводочных изделий -М МГАПП -1999 -70 с

II Авторские свидетельства и патенты 1.Способ производства растворимого цикория/Нахмедов Ф Г , Калунянц К А , Крикунова Л.Н., Шаненко Е Ф Авторское свидетельство №1332578 -1985

2 Способ получения фруктозного сиропа/Калунянц К А , Нахмедов Ф Г , Шаненко Е Ф , Крикунова Л.Н , Месхи Р Г идр Авторское свидетельство №1332818-1987

3. Способ получения фруктозного сиропа/Калунянц К А, Нахмедов Ф Г, Крикунова Л.Н., Шаненко Е Ф и др Авторское свидетельство № 1347468 - 1987

4. Способ получения напитка типа кваса/Калуняиц К А, Крикунова Л.Н , Шаненко Е Ф , Петрова М С и др Авторское свидетельство № 1369034 -1987

5 Способ производства этилового спирта из топинамбура/Крикунова Л.Н , Шаненко Е Ф , Соколовская М В Патент РФ № 2144084 Публ 10 01 2000Бюл №1

6. Способ производства этилового спирта из зернового сырья/Крикунова Л Н., Максимова ЕМ, Мельников ЕМ,Орешкина Л Ю Патент РФ №2162103 Публ 20 01 2001 Бюл №2

7. Способ производства этилового спирта из топинамбура/ Крикунова Л Н., Александрова М М , Ильяшенко Н Г , Шаненко Е Ф Патент РФ №2161652 Публ 10 01 2001 Бюл № 1

8. Способ переработки зерна с получением этилового спирта и белкового продукта/Крикунова Л Н., Коллакова В В , Дубовицкий Ю Е Патент РФ №2180921 Публ 27 03 2002 Бюл №9

9. Способ переработки зерна с получением этилового спирта и белкового продукта/Колпакова В В , Крикунова Л Н., Кононенко В В Патент РФ №2210595 Публ 20 08 2003 Бюл №23

10. Способ производства этилового спирта/Крику нова Л Н , Журба О С , Леденев В П , Кирдяшкин В В , Елыеин Н В Патент РФ №2221872 Публ 20 01 2004 Бюл № 2

11. Способ производства этилового спирта/Крикунова Л II., Журба О С , Омисова О С , Гернет М В , Кирдяшкин В В Патент РФ №2265663 Публ 10 12 2005 Бюл №34

12 Способ производства этилового спирта/Крикунова Л.Н., Андриенко Т В , Сумина ЛИ Патент РФ № 2301261 Публ 20 06 2007 Бюл №17

13. Способ производства этилового спирта из топинамбура/Крикунова Л.Н., Пономарева М С , Гернет М В , Карпиленко Г П Патент РФ №2301832 Публ 27 06 2007 Бюл № 18 III Статьи, материалы в отдельных изданиях

1. Колпакова В В, Нечаев А П, Крикунова Л.Н. Побочные продукты помота зерна пшеницы - источник пищевого белка/Юбзорная информация -М ЦНИИТЭИ хлебопродуктов -1993 -36 с

2. Панфилов В А , Крикунова Л.Н , Нечаев А П Характеристика базового материала для выбора научно-технических приоритетов в производстве основных групп продуктов пи-танияШищевая промышленность -1995 -№4 -С 6

3. Крикунова Л.Н , Александрова М М Энерго- и ресурсосберегающая технология этанола из топинамбура I Сравнительная характеристика способов подготовки сырья к сбраживанию//Хранение и переработка сельхозсырья -2000 -№ 6 -С 64-67

4 Крикунова Л.Н , Александрова М М Энерго- и ресурсосберегающая технология этанола из топинамбура II Сравнительная характеристика способов активации инулиназ то-пинамбура//Хранение и переработка сельхозсырья -2000 -№ 7 -С 56-58

5 Крикунова Л Н , Александрова М М Энерго- и ресурсосберегающая технология этанола из топинамбура III Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбу-ра//Хранение и переработка сельхозсырья -2000 -№ 10 -С 57-59

6 Максимова Е М , Крикунова Л.Н , Черных В Я , Цурикова Н В Исследование реологических характеристик замесов для оценки действия ферментных препаратов с термостабильной а-амилазой//Хранение и переработка сельхозсырья -2001 -№ 1 -С 22-25

7. Максимова Е М , Крикунова Л.Н., Мельников Е М Механические и биотехнологические способы выделения фракций некрахмальных полисахаридов зерна, перерабатываемого в этанол//Известия вузов Пищевая технология -2001 -№ 1 -С 34-36 8 Крикунова Л.Н., Александрова М М Энерго- и рсс> рсосберегающая технология этанола из топинамбура IV Характеристика показателей качества бражки//Хранение и переработка сельхозсырья -2001 -№ 4 -С 48-51

9. Колпакова В В , Крикунова Л Н , Дубовицкий Ю Е Дифференцированные фракции переработки зерна пшеницы на спирт - новый источник пищевого белка//Хранение и переработка сельхозсырья -2001 -№ 6 -С 41-45

10 Крпкунова Л Н., Максимова Е М , Черных В Я Реологическое поведение клейстери-зованного крахмалосодержащего сырья//Производство спирта и ликероводочных изделий -2001 -№ 3 -С 24-25

11 Крикунова Л.Н, Максимова ЕМ Интенсификация производства этанола из ржи разделением фракций полисахаридов//Производство спирта и ликероводочных изделий -2001 -№ 4 -С 20-22

12. Крикунова Л Н., Колпакова В В , Дубовицкий Ю Е Комплексная ресурсосберегающая технология переработки зерна в спиртовой промышленности/Я) книге «Научно-технический прогресс спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности» -М Пищепромиздат-2001 -С 126-131

13. Дубовицкий Ю Е , Колпакова В В , Крикунова Л Н. Повышение эффективности переработки пшеницы при выработке этанола//Производство спирта и ликероводочных изделий-2001-№ 4-С 18-20

14. Александрова М М , Ильяшенко Н Г , Крикунова Л.Н , Кудряшов В Л Влияние способов асептирования на микробиологическую чистоту сусла из топинамбураУ/Известия вузов Пищевая технология -2001 -№ 5-6 -С 52-53

15. Колпакова В В , Крикунова Л Н., Кононенко В В Исследование возможности получения белковых препаратов из дифференцированных фракций зерна ржи и ячме-ня//Известия вузов Пищевая технология -2001 -№ 5-6 -С 35-36

16. Крикунова Л.Н., Максимова Е М , Пичугииа Т В Сравнительная характеристика микробиологического состояния сырья и полупродуктов спиртового производства при дифференцированной переработке зерна//Известия вузов Пищевая технология -2002 -№ 2-3 -С 12-14

17. Александрова М М , Ильяшенко Н Г., Крикунова Л.Н., Кудряшов В Л Влияние способов асептирования сусла из топинамбура на физиологическое состояние спиртовых дрожжей//Известия вузов Пищевая технология -2002 -№ 2-3 -С 35-36

18. Крикунова Л.Н., Максимова Е М , Кононенко В В Эффективность дифференцированного способа переработки зерна для получения спирта//Производство спирта и ликероводочных изделий -2002 -№ 1 -С 10-12

19. Колпакова В В , Кононенко В В , Крикунова Л Н Белковые композиты из дифференцированных фракций зерновых культур//Хранение и переработка сельхозсырья -2002-№ 11 -С 63-65

20. Калинина О А , Леденев В П , Крикунова Л.Н Разработка высокоэффективной малоотходной технологии этанола из зерна ржи на основе механокавитационной обработки Стадия приготовления замеса//Хранение и переработка сельхозсырья -2002 -№ 6 -С 35-40

21. Поляков В А , Журба О С , Крикунова Л.Н., Черных В Я Перспективы использования автоматизированного рабочего места (АРМа) в спиртовом производст-ве//Производстао спирта и ликероводочных изделий -2003 -№ 1 -С 12-14

22 Кононеихо В В , Крикунова ЛII, Колпакова В В Переработка зерна ржи и ячменя в спиртовом производстве//Производство спирта и ликероводочных изделий -2003 -№ 3 -С 11-13

23. Крикунова Л II, Журба О С Реологические исследования - научно-технические основы решения задач спиртовой отрасли//В книге «Прогрессивные технологии и современное оборудование - важнейшие составляющие успеха экономического развития предприятий спиртовой и ликероводочной промышленности» -М Пищепромиздат -2003 -С 35-47

24. Журба О С , Крикунова Л.Н , Максимова Е М Характеристика специфичности фермент-субстратного взаимодействия в технологии этанола//В книге «Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК»-М Пищепромиздат-2004-С 130-136

25. Крикунова Л.Н , Омисова О С ИК-обработка зерна - способ повышения ферментативной атакуем ости сырья в спиртовом производстве//В книге «Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК» -М. Пищепромиздат-2004-С 216-220

26 Крикунова Л.Н., Омисова О С , Журба О С ИК-обработка сырья в спиртовом произ-водстве//Известия вузов Пищевая технология -2004 -№ 5-6 -С 42-45

27. Крикунова ЛII, Чечеткин Д В Пути повышения эффективности переработки топинамбура в этанол//Производство спирта и ликероводочных изделий -2005 4 -С 35-36

28. Чечеткин Д В , Карпиленко Г П , Крикунова Л Н. Влияние способа получения сока из топинамбура на выход и деструкцию фруктозанов и пектиновых веществ//Известия вузов Пищевая технология -2006 1 -С 53-55

29 Крикунова Л Н , Чечеткин Д В , Карпиленко Г П Применение ферментных препаратов различного действия в технологии этанола из топинамбура//Производство спирта и ликероводочных изделий -2006 -№ 2 -С 36-38

30. Чечеткин Д В , Крикунова Л.Н., Карпиленко Г П Исследование процесса гидролиза фруктозанов топинамбура под действием собственных гидролаз сырья//Хранение и переработка сельхозсырья -2006 -№ 4 -С 39-43

31. Крнкунова Л Н., Гернет МВ , Чечеткин ДВ Пектиновые вещества топинамбура содержание, распределение по аналитическим частям, свойстваУ/Хранение и переработка сельхозсырья -2006 -№ 5 -С 50-54

32 Чечеткин ДВ , Карпиленко ГП, Крикунова Л.Н. Пектинэстераза топинамбура активность, свойства//Производство спирта и ликероводочных изделий -2006 -№ 3 -С 18-19

33. Крикунова Л Н ИК-обработка зерна - перспективный способ повышения микробиологической чистоты сырья//Производство спирта и ликероводочных изделий -2006 -№ 3 -С 3134

34. Крнкунова Л.Н., Поляков В А , Андриенко Т В Современные подходы в оценке технологических свойств основного сырья спиртовой отрасли//Хранение и переработка сельхозсырья -2006 -№ 10-С 37-41

35. Крикунова Л.Н., Чечеткин Д В , Карпиленко Г П Сравнительная характеристика способов получения осветленного осахаренного сусла из топинамбур а//Известия вузов Пищевая технология -2006 -№ 4 -С 70-73

36. Крикунова Л.Н., Стребкова О С , Гернет М В Исследование процесса измельчения ИК-обработанного зерна пшеницы//Хранение и переработка сельхозсырья -2007 -№ 5 -С 34-36

37. Крикунова JI.H., Стребкова О С К вопросу разработки низкотемпературной технологии этанола на основе инфракрасной обработки пшеницы//В книге «Перспективные направления научно-технического развития спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности»-М Пищевая промышленность-2007-С 87-102

38. Андриенко Т В , Поляков В А , Крикунова JI.H. Комплексные технологии переработки ржи в спиртовом производстве проблемы и новые предложения по их решеншо//В книге «Перспективные направления научно-технического развития спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности» -М Пищевая промышленность -2007 -С 103-108

39. Крикунова Л.Н. Оценка состояния углеводно-амилазного комплекса пшеницы по амилограммам//Хранение и переработка сельхозсырья -2007 -№ 7 -С 56-59

40. Крикунова Л.Н. Оптимизация технологических режимов получения осахаренного осветленного сусла из топинамбур а//Храненис и переработка сельхозсырья -2007 -№ 8 -С 40-43

41. Андриенко Т В , Поляков В А , Крикунова Л.Н. Получение осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна ржи//Хранение и переработка сельхозсырья -2007 10 -С 48-51

42. Андриенко Т В , Поляков В А , Крикунова Л.Н. Использование дифференцированных фракций из ИК-обработанного зерна ржи в спиртовом производстве/Шроизводство спирта и ликероводочных изделий -2007 1-С 10-13

43. Крикунова Л.Н., Андриенко Т В , Черных В Я , Лебедев А В. Влияние ИК-обработки зерна пшеницы и ржи на параметры процесса его измельчения//Известия вузов Пищевая технология -2007 -№ 4 -С 76-77

44. Крикунова Л.Н. Сравнительная характеристика методов оценки прочностных свойств зерна//Хранение и переработка сельхозсырья -2007 -Л» 4 -С 48-52

45. Крикунова Л.Н., Стребкова О С., Гернет М В Режимы и технологические параметры получения и сбраживания осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна пшеницы Часть I. Стадия получения суслаЯХранение и переработка сельхозсырья -2007 -№ 9 -С. 60-63

46. Крикунова Л Н., Черных В Я., Стребкова О С , Лебедев А.В Разработка реологической модели зерна пшеницы, прошедшего ИК-обработку//Хлебопродукты -2007 8 -С 54-55

47. Андриенко Т.В , Поляков В А , Крикунова Л.Н Сухие кормопродукты повышенного качества из ржаной послеспиртовой барды//Хранение и переработка сельхозсырья -2007 -№ 10-С 46-49

48 Крикунова Л.Н., Стребкова О С , Гернет М В Режимы и технологические параметры получения и сбраживания осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна пшеницы Часть II Стадия сбраживания сусла/ТХраненне и переработка сельхозсырья -2008 -№ 2 -С 44-47

Подписано в печать 14 05 08 Формат 30x42 1/8 Бумага типографская № 1. Печать офсетная Уч -изд л 2,1. Печ л 2,3 Тираж 100 экз. Заказ 108 125080, Москва, Волоколамское ш , 11 Издательский комплекс МГУПП

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Научно-практические аспекты переработки крахмалосодержащего сырья в спиртовом производстве

1.1.1 Химический состав зерна и его анатомических частей

1.1.1.1 Структура и свойства зерновых крахмалов

1.1.1.2 Физико-химические свойства и структурные особенности белков пшеницы, ржи, ячменя

1.1.2 Способы целенаправленного изменения технологических свойств зерна

1.1.2.1 Теоретические основы ИК-обработки материалов

1.1.2.2 Практическое использование ИК-обработки зерна

1.1.3 Современные тенденции переработки зерна в спиртовом производстве

1.1.3.1 Перспективные однопродуктовые схемы переработки зерна

1.1.3.1.1 Режимы механико-ферментативной обработки сырья

1.1.3.2 Многопродуктовые схемы переработки зерна

1.1.3.3 Современные подходы к оптимизации процесса сбраживания сусла

1.1.3.3.1 Характеристика спиртовых дрожжей, применяемых в спиртовом производстве

1.1.3.3.2 Факторы, влияющие на образование примесей при брожении

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 материале- 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, научно-практические основы разработки 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 схем «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, которое, по мнению отечественных и зарубежных специалистов, является одним из самых дешевых видов для спиртовой отрасли.

Вместе с тем, клубни из-за структурных свойств покровных тканей 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. Их реализация позволит расширить сырьевую базу спиртовой отрасли.

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 выявлении влияния отдельных компонентов зерна и топинамбура, а также учете их распределения 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 на него (биотехнологический, ИК-нагрев и др.); выявлены зависимости, характеризующие влияние режимов обработки зерна 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, позволяющие оценить его углеводно-амилазный комплекс, а также 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 дифференцированных 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 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, которые позволяют 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 51 сегеугягае 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 2030% 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 ~ 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.

1. Обзор литературы