автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологии биологически активной добавки из пивной дробины для интенсификации процессов брожения

На правах рукописи ЦАГОЛОВ ЗАУР ЕРМАКОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ДОБАВКИ ИЗ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ

05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005548763 22 ИШЗ"

Воронеж-2014

005548763

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гернет Марина Васильевна ГНУ ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности

Официальные оппоненты: Поляков Виктор Антонович

доктор технических наук, профессор, академик РАСХН, ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии, директор Пономарева Мария Сергеевна кандидат технических наук, ООО «Пивоварня Новорижская», заведующая лабораторией

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им.К.Г. Разумовского», г. Москва

Защита состоится «11» июня 2014 года в 13 ч 30 мин на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19,конференц зал.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим присылать ученому секретарю совета Д 212.035.04.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Полный текст диссертации размещен в сети «Интернет» на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru. Автореферат размещен в сети «Интернет» на официальном сайте Министерства образования и науки РФ www.vak2.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru «10» апреля 2014 г.

Автореферат разослан «30» апреля 2014 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук

Успенская М.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пивоваренная отрасль является одной из ведущих в пищевой промышленности России и других стран.

Получение конечного продукта происходит с образованием различных, так называемых, вторичных сырьевых ресурсов (ВСР) - отходов, являющихся ценным сырьем для создания других продуктов, в том числе и пищевых.

Актуальность вопроса утилизации ВСР уже давно ни у кого не вызывает сомнений, так как в первую очередь это связано с вопросом экологии. Из ВСР пивоваренного производства наибольший интерес, как по количеству, так и по качественному составу вызывает пивная дробина.

Известны основные пути ее применения: использование в качестве корма для скота; для выращивания плесневых грибов и дрожжей; после специальной обработки - в качестве добавок в различные пищевые продукты. Однако многие аспекты до сих пор не реализованы в промышленных масштабах.

В последние годы достаточно широко и успешно применяют активаторы брожения, к которым следует отнести вещества жирного ряда, различные экстракты, витамины, азотсодержащие вещества, минеральные соли.

В связи с вышеизложенным, актуальным следует считать исследования и разработку технологии получения биологически активной добавки (БАД) из ВСР и применение их для интенсификации процессов брожения.

Цель работы - разработка комплексной технологии получения биологически активной добавки (БАД) из пивной дробины на основе биотехнологических принципов.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

- обосновать параметры обработки пивной дробины экологически чистыми реагентами для ее дезинфекции;

- выбрать и проанализировать применение ферментных препаратов (ФП) для получения ферментолизата пивной дробины;

- теоретически обосновать и экспериментально подтвердить целесообразность использования спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания БАД для интенсификации процессов брожения;

- исследовать и установить способ обработки ферментолизата пивной дробины для интенсификации процесса брожения кваса и пива;

- получить БАД и исследовать состав в сравнении с известным зарубежным аналогом;

- провести опытно-промышленную апробацию предложенной технологии и рассчитать экономическую эффективность от применения БАД при производстве продуктов брожения (на примере кваса).

Научная новизна. Исследованы дезинфицирующие свойства электрохимически активированных (ЭХА) растворов при переработке дробины.

Проанализированы и выбраны ферментные препараты (Laminex®BG2+ Alphalase®AP3; Ondea Pro), позволяющие эффективно проводить биокатализ основных составляющих пивной дробины.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено использование спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания БАД для интенсификации процессов брожения.

Исследованы физические методы (перемешивание, гомогенизация, УЗ - обработка) обработки ферментолизата пивной дробины и установлены параметры обработки для максимального извлечения азотистых и редуцирующих веществ.

Исследованы аминокислотный и углеводный составы, полученной БАД и проведен ее сравнительный анализ с известньм зарубежным аналогом.

Практическая значимость. Разработана технология производства БАД из пивной дробины для интенсификации процесса брожения:

- разработаны режимы дезинфекции пивной дробины ано-литом, полученном на установке СТЭЛ, в результате которой увеличился срок её хранения в 3-4 раза с сохранением асептики;

- проведен сравнительный анализ биокаталитических свойств ФП для интенсивной биодеградации пивной дробины;

- подобраны условия действия выбранного ФП, при применении которого концентрации азотистых и редуцирующих

веществ в ферментолизате увеличена по сравнению с исходным сырьем в 4,2 и 3,7 раз соответственно;

- исследовано влияние физических и химических приемов и разработана дополнительная стадия в технологическом процессе получения БАД - обработка ферментолизата ультразвуком и дополнительное введение источника витаминов в виде препарата спирулина платенсис. Разработанные приемы позволили интенсифицировать процесс брожения на 20-30% при одновременном улучшении качества готового продукта;

- разработана ТИ получения БАД на основе пивной

дробины;

- в производственных условиях ООО «Солар Бир»

(г. Москва) проведена промышленная апробация БАД;

- ожидаемый расчётно-экономический годовой эффект от внедрения технологии утилизации пивной дробины для получения 10 т БАД составляет 1млн 940 тыс руб.

Научные положения, выносимые на защиту:

- технология БАД из пивной дробины;

- интенсификация процессов брожения кваса и пива.

Соответствие диссертант! паспорту научной специальности.

Диссертационное исследование соответствует пп. 2, 4 паспорта специальности 05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены в период с 2011 по 2013 г. на заседаниях ученого совета ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»; научной конференции по направлению «Технологии и производственный менеджмент» (г.Москва, МГУПП, 2011 г); на Международной научно-практической конференции «Пути интенсификации производства и переработки сельскохозяйственной продукции в современных условиях» (г. Волгоград, ГНУ Поволжский НИИ производства и переработки мясомолочной продукции Россельхозакадемии 2012г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и

2 - в сборниках конференций, в которых отражены основные ее положения.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста и включает введение, обзор литературы, характеристику объектов и методов исследований, две главы экспериментальной части, выводы, список использованной литературы из 166 источников, из них 31 -иностранные, и четыре приложений. Иллюстрационный материал представлен 48 рисунками, 20 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и определены основные направления исследований.

Глава 1. «Обзор научно-технической литературы». В обзоре литературы проведен анализ литературных и собственных данных химического состава пивной дробины, как ВСР пивоваренного производства, способов утилизации дробины. Приведены данные применения электрохимически активированной воды в пищевой промышленности. Описаны способы и возможности интенсификации процессов брожения за счет дополнительного введения БАД из различных источников. Обзор литературы позволяет сделать вывод об актуальности выбранной темы, связанной с интенсификацией технологических процессов в бродильных производствах с применением БАД, в том числе полученных при биотрансформации пивной дробины.

Глава 2. «Объекты и методы исследования». Объектами исследования служили: пивная дробина; ферментные препараты: «Laminex®BG2», «Alphalase®AP3», «Ultraflo MAX», «At-tenuz¡me®Flex», «Termamyl SC», «Ondea Pro»; препарат на основе сине-зеленой водоросли Спирулина платенсис; ЭХА-раствор, приготовленный на установке СТЭЛ -ЮН-120-01.

При проведении исследований применяли методы, используемые в бродильных производствах: содержание азотистых и редуцирующих веществ в БАД определяли по методам Лоури и ДНС (основанному на образовании редуцирующих веществ с 3,5 - динитросалициповой кислотой окрашенной жидкости) соответственно; определение качественного и количественного состава аминокислот БАД проводили на хроматографе жидкостном «Agilent 1200» с диоднометричным дедектором; определение

Сахаров в растворах БАД методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Физико-химические и микробиологические показатели квасного сусла и кваса определяли по методикам, принятым в пивобезалкогольной промышленности.

Глава 3. «Разработка технологии БАД из пивной дробины». Первый этап - обработка пивной дробины электрохимически активированной (ЭХА) водой. ЭХА-воду получали на установке СТЭЛ -ЮН-120-01. Режим работы установки следующий: скорость потока 15 дм3/ч, I = 9А, и = 28В. Анолит служил, как асептик

Были проведены исследования по определению дезинфицирующей способности полученного анолита (табл. 1). Для этого были получены два варианта раствора анолита:

1 - рН 3, ф=200мВ; 2- рН 5, ср=100мВ.

Гидромодуль 1:1 (соотношение дробины и анолита по массе). Контролем служил образец дробины, обработанной водопроводной водой. Как видно, из таблицы 1, наиболее эффективным оказался 1 вариант раствора с режимом обработки 12 мин. Дальнейшее увеличение времени выдержки дробины в растворе не целесообразно. При обработке различными реагентами существенным является определение гидромодуля (соотношение твердой и жидкой фракции). Полученные данные представлены в таблице 2.

Таблица 1. Влияние длительности обработки пивной дробины растворами анолитов на количество микроорганизмов (КОЕ/см3).

Вариант раствора, (гидромодуль 1:1) Количество микроорганизмов, КОЕ/см3 пивной дробины

Длительность обработки

Омин 5мин Юмин 15мин 20мин ЗОмин

1 35 15 0 0 0 0

2 37 30 23 22 20 15

Контроль 37 50 62 65 72 87

Таблица 2. Исследование влияния гидромодуля (дробина:анолит) на дезинфицирующую способность дробины._

Гидромодуль (соотношение дробины и анолита по массе) Количество микроорганизмов, КОЕ/см3 пивной дробины

Длительность обработки

0 мин Юмин 20мин ЗОмин

Контроль 39 43 54 75

1:3 40 0 0 0

1:2 40 0 0 0

1:1 36 4 0 0

Наиболее оптимальным режимом (таблица 2) обеззараживания дробины является гидромодуль 1:2 с продолжительностью обработки 10 мин.

Срок хранения обработанной дробины ЭХА раствором в нестерильных условиях представлен в таблице 3.

Таблица 3. Исследование влияния анолита на срок хранения пивной дробины. _

Продолжительность хранения, ч Количество микроорганизмов, КОЕ/ЮОсм3 в пивной дробине (опыт/контроль)

0 0/400

24 0/сплошной рост

48 0/сплошной рост

72 0/сплошной рост

96 2/сплошной рост

120 50/сплошной рост

Срок хранения дробины, обработанной ЭХА-раствором увеличивается до 96 ч. В контрольном варианте (без обработки) через 24 ч отмечался сплошной микроорганизмов.

Второй этап - проведение сравнительного анализа биокаталитических свойств ФП для интенсивной биодеградации пивной дробины. Главный критерий выбора ФП - это макси-

мальный выход азотистых и редуцирующих веществ в фермен-толизате пивной дробины, а также определение оптимальных дозировок ФП.

Источниками ассимилируемого азота для дрожжей являются низкомолекулярные продукты распада белков. Легче всех усваиваются аминокислоты, несколько хуже ди- и трипептиды. Известно, что содержание азота в усвояемой форме в значительной степени определяет синтез и образование биомассы дрожжей. Если состав сред сбалансирован по аминокислотам, повышается бродильная активность дрожжей, их продуктивность, а также скорость потребления углеводов.

Известно, что наиболее интенсивно рост и размножение дрожжей происходит на средах, содержащих смесь аминокислот. Использование ФП эндогенного происхождения позволяет проводить гидролиз составных частей субстрата в мягких условиях, не затрагивая не свойственных тем или иным ферментам различных соединений.

Были выбраны следующие дозировки ФП (%) от количества сухих веществ (СВ) пивной дробины: 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1. Ферментные растворы готовили разведением в приготовленном ЭХА растворе (гидромодуль 1:4). Далее полученным водным раствором ФП проводили ферментолиз пивной дробины при гидромодуле 1:4 (дробина : ФП), при оптимальных условиях действия фермента. Учитывая состав пивной дробины, нами помимо отдельных ферментных препаратов были составлены мультиэнзимные композиции (МЭК), в состав которых входили амилолитические, протеолитические и целлюлолитические ферменты, наилучшие из которых по биодеградации основных компонентов представлены в таблице 4.

Исследовав 6 ФП и 3 МЭК на количественное содержание азотистых и редуцирующих веществ в ферментолизате, установили, что наиболее эффективными оказались ФП «Ondea Pro» в дозировке 0,4 % от количества СВ и МЭК, в состав которого входят «Laminex®BG2» и «Alphalase®AP3» в дозировках по 0,4 % от количества СВ. Количество азотистых и редуцирующих веществ при использовании ФП «Ondea Pro» составили (мг/100см3): 214,3 и 2,41 соответственно, а для МЭК (мг/100см3):201,2 и 2,33.

Таблица 4. Влияние ФП и МЭК на содержание азотистых и редуцирующих веществ, при гидролизе пивной дробины.

Название ферментного препарата Содержание

Азотистых веществ, мг/lOOcM3 Редуцирующих веществ, мг/100см3

«Laminex®BG2» 176,2 2,14

«Alphalase ®АРЗ» 160,8 2,0

«Laminex®BG2»+ «Alphalase®AP3» 201,2 2,33

«Ultraflo MAX» 167,5 1,77

«Attenuzime®Flex» 171,2 1,92

«Termamyl SC» 174,4 1,92

«Ultraflo MAX» + «Attenuzime®Flex» 185,7 2,0

«Ultraflo MAX» + «Termamyl SC» 186,7 2,0

«Ondea Pro» 214,3 2,41

Следует отметить, что наилучший результат с ФП «Ondea Pro» был достигнут уже на 4 ч ферментации, что также играет немаловажную роль с экономической точки зрения. С другими ФП лучшие результаты достигнуты при более длительном процессе ферментации.

Механизм получения таких результатов ФП «Ondea Pro» объясняется его уникальной мультиферментной составляющей препарата, которая состоит из следующих ферментативных активностей: а-амилазной, глюкоамилазной, пуллуланазной, Р-глюканазной и протеазой.

Однако, исходя из экономических соображений (стоимость ФП «Ondea Pro» в 2 раза выше, чем моноферменты) нами также рассматривается возможность использования МЭК: «Lam-inex®BG2»+ «Alphalase®AP3», так как полученные результаты были близки по значению.

Глава 4. «Интенсификация процессов брожения при производстве пива и кваса».

Актуальная задача пищевой промышленности, в частности, бродильной - разработка новых ресурсосберегающих технологий, позволяющих повышать эффективность производства, увеличить выход и качество продукции без существенных дополнительных материальных затрат. Одно из направлений реа-

лизации этой задачи - интенсификация производства и повышение бродильной активности дрожжей за счет введения в питательную среду активаторов брожения, поэтому третий этап работы - использование спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания БАД для интенсификации процессов брожения

В состав микроводоросли входит множество компонентов питательной среды - факторы роста (витамины, аминокислоты, макро- и микроэлементы), которые участвуют в процессе метаболизма дрожжей. Все эти компоненты содержатся в препарате в сбалансированном количестве. Особенность микроводоросли -высокое содержание в ее биомассе белка, около 60-70% на СВ. Уникален также ее аминокислотный состав, который представлен всеми незаменимыми аминокислотами.

Интенсификацию процессов брожения с БАД проверяли при брожении квасного и пивного сусла. Квасное сусло готовили из ККС с содержанием СВ 6 %. БАД добавляли одновременно с внесением дрожжей БассЬагошусеБ сегеу!з1ае в количестве от 1 до 5 %. Спирулину платенсис вносили в БАД в количестве 1 мг. Брожение сусла проходило при 25-30 °С, в течение 24 ч. Контролем служили образцы без добавления БАД.

Результаты влияния различных дозировок БАД на бродильную активность дрожжей в процессе брожения кваса представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Влияние различных дозировок БАД и спирулины на бродильную активность дрожжей

Рисунок 2. Влияние различных дозировок спирулины в составе БАД на бродильную активность дрожжей

Как видно из рисунка 2, оптимальная дозировка спирулины платенсис в БАД - 2 мг.

Известно, что спирулина плохо растворима, поэтому четвертый этап работы - исследование различных типов обработок для максимального извлечения из неё питательных веществ. Известно, что различные типы обработки (гомогенизация, ультразвук) позволяют наиболее полно разрушать клетки, извлекать из субстрата необходимые питательные вещества, что положительно сказывается в дальнейшем на метаболических процессах дрожжевой клетки. Исследовали следующие типы обработки БАД: перемешивание (контроль), гомогенизация (ГМ) и ультразвук (УЗ).

Вначале обработку проводили в течение 3 мин. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3.

343,4

« 350 •

310,9

ев I ^ 300 -

т Я *

275,2

50

К гм

УЗ

Рисунок 3. Влияние различных обработок Б АД на бродильную активность дрожжей к контролю, (%).

Как видно из рисунка 3 наилучший результат был получен при обработке БАД ультразвуком. Ультразвуковые колебания значительно ускоряют протекание гетерогенных диффузионных процессов. Это происходит за счет различных эффектов, возникающих под действием ультразвука, следствием которых является разрыв клеток, лучшее перемешивание содержимого клетки, увеличение проницаемости клеточных структур и т.д.

Нами был использован ультразвуковой аппарат с частотой колебания 37 кГц. Для подбора времени обработки был проведен эксперимент с различными режимами обработки - 5, 7, 10 мин, контролем (К) служил образец с режимом обработки 3 мин.

Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.

380 370 * 360 "350 340 , 330 320

К 5 7

Длительность обработки, мин

Рисунок 4. Влияние продолжительности обработки Б АД ультразвуком на бродильную активность дрожжей к контролю, (%).

В результате проведенных нами исследований наилучший результат был достигнут при режиме обработки БАД в течение 7 мин.

Известно, что при производстве кваса помимо квасных дрожжей и молочнокислых бактерий используют хлебопекарные дрожжи. Для поддержания физиологического и микробиологического состояния дрожжей используют обработку молочной или ортофосфорной кислотой. Установлено, что после проведения кислотной обработки необходимо провести подкормку дрожжей с использованием специальных препаратов содержащих аминокислоты, витамины, минеральные вещества.

Вопрос о целесообразности использования подкормок в бродильных производствах изучен недостаточно, хотя и имеются немногочисленные данные, подтверждающие их благоприятно воздействие.

Результаты влияния различных дозировок БАД на результаты процесса брожения кваса представлены на рисунке 5.

>я

«

к I я о х а. л =1 Ч Л 8 !-" а

о 2 в- 5

гл £1 Ш Я

а

я

420 385 350 * 315

о- 280

1 245 £.210 Ё 175

I I40

м Ю5 70 35

Т -

Ь' ■•: ■ 1

1

____

I

0,5 1 2 3 4 5 6 -

Дозировкн(БАД), смЗ/ЮОсмЗ

а)

Контр

—*- 0,2

0,5

с*? 1

—' 2

3

4

— 5 6

Продолжительность брожения,ч

б)

0,2

0,5

* 1 "У

— А 3

—т— 4 5

6

Конт[

I

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Продолжительность брожения, ч

Г)

Рисунок 5. Влияние БАД на бродильную активность дрожжей, % (а); накопление дрожжевых клеток (б); изменение содержания сухих веществ (в); изменение рН (г) в процессе брожения.

Следует отметить тот факт, что введение дополнительного источника аминокислот (препарат спирулина платенсис) улучшает физиологическое состояние клетки и стимулирует метаболизм дрожжей, о чем свидетельствуют превосходящие результаты.

Результаты испытаний показали, что из трех типов обработки БАД наиболее эффективным оказался процесс ультразвуковой обработки, о чем свидетельствуют данные результатов опыта.

Из полученных данных рис.5 (а, б, в, г) видно, что наиболее активной оказалась дозировка 3 см3 (бродильная активность дрожжей составила 378,5% по сравнению с контролем, концентрация дрожжевых клеток составила 28,4 млн/см3). Результаты исследований показывают, что опытные образцы интенсивнее сбраживают СВ сусла по отношению к контролю, что свидетельствует о повышенной физиологической активности дрожжей.

Полученную БАД также исследовали в процессе брожения пивного сусла. Ее вносили совместно с дрожжами БассЬаготусез сегеу1з1ае расы 8а(М). Применение БАД, как активатора, позволяет повысить действительную степень сбраживания к контролю на 117% , также с увеличением степени сбраживания увеличилось содержание этанола, которое составило 129%. Концентрация дрожжевых клеток достигла 14,6 млн/см3, что составило 132% по отношению к контролю. Содержание редуцирующих веществ в пиве было ниже, чем в контрольном образце без добавления БАД, что свидетельствует о более интенсивном потреблении углеводов сусла дрожжами.

Полученная БАД содержит СВ 3 %, что является нестабильным соединением для ее длительного хранения, поэтому пятый этап работы - концентрирование БАД, исследование ее состава в сравнении с известным зарубежным аналогом. Концентрирование проводили на вакуум - выпарной установке ИР-1-ЛТ, ЬаЫесЬ, при температуре 30-35°С до концентрации СВ не менее 50%. Установлено, что концентрирование при температуре 30-35°С не приводит к потере биологической активности полученной БАД.

Концентраты БАД были испытаны при производстве кваса и пива. Полученные данные подтвердили полную сохранность биологически активных веществ.

Данные, полученные по аминокислотному составу, с использованием метода хроматографии показывают сбалансированное соотношение незаменимых и заменимых аминокислот в БАД, что дает предпосылки для возможной интенсификации процесса брожения с её использованием.

Сравнивая, полученную БАД с зарубежным аналогом «Истлайф Экстра» можно отметить присутствие в полученной БАД такой незаменимой аминокислоты, как триптофан, и ряда других аминокислот (таблица 5).

Рядом ученых выдвинута теория прямого усвоения аминокислот и доказано, что лучшим источником азота для дрожжей является азот аминокислот.

Известно, что дрожжи наиболее активно в период лаг-фазы ассимилируют метионин, серин и цистеин. В период интенсивного размножения клеток, в экспоненциальной фазе, биосинтез белка обеспечивает лейцин, лизин, тирозин и глутаминовая кислота.

При декарбоксилировании триптофана образуется биологически активное вещество триптамин, которое в совокупности с другими аминокислотами участвует в формировании вкуса, цвета и букета полученного напитка.

Кроме того, если питательные среды сбалансированы по аминокислотам, то при развитии дрожжевых клеток в 1,3-1,6 раз снижается уровень синтезируемых высших спиртов.

Таблица 5. Сравнительная характеристика содержания аминокислот ___

БАД (мг/см3) / АСВ «Истлайф Экстра» (мг/см3) / АСВ

Незаменимые

валин - 3,65; изолейцин - 2,79; лейцин - 8,9; лизин - 5; метионин — 2,46; треонин — 2,87; триптофан — 1,33; фенилаланин — 5,4 валин — 5; изолейцин — 4,5; лейцин — 7; лизин - 5,4; метионин — 1,5; треонин —3;фенилаланин—5

Заменимые

аргинин - 6,96; аланин — 4,29; аспарагин — 1,24; аспарагиновая к-та — 11,56; глютаминовая к-та — 4,46; глицин - 1,5; гистидин — 2,7; глю-тамин-6,26; серин - 2,76; тирозин -3,67 аргннин - 6,96; аланин — 4,29; аспарагин - 1,24; аспарагиновая к-та - 11,56; глютаминовая к-та 4,46: глицин - 1,5; гпстилин - 2,7; глютамнн-6,26; серин — 2,76; тирозин - 3,67

Помимо аминокислот в БАД были обнаружены следующие углеводы (мг/см3): фруктоза - 29,3; глюкоза - 103,23. Установлено, что применение БАД позволяет сократить продолжитель-

ность брожения квасного сусла на 20-30%. Длительность процесса главного брожения - при производстве пива сокращается на 1,5 суток, дображивания - на 4 суток.

Опытно-промышленные испытания подтвердили лабораторные исследования.

Дегустационная оценка качества кваса, полученного без добавки (контроль К) и с добавкой (опыт О) представлена на рисунке 6.

С02

-О—1 —2

Рисунок 6. Профилограмма органолептической оценки кваса: 1 - «К» (контроль); 2 - «О» (опыт).

Использование БАД позволяет улучшить вкус готового напитка, получить более насыщенный аромат ржаного хлеба. Бальная оценка опытного образца кваса составляет 19 против 17 баллов в контрольном образце.

Технологическая блок-схема производства БАД из пивной дробины представлена на рисунке 7: 1-установка ЭХА воды; 2-сборник для католита; 3-резервуар для хранения анолита; 4-насос водяной; 5- дозатор объемного действия; 6-бункер для пивной дробины; 7-емкость для предобработки пивной дробины; 8-фильтр-пресс; 9-реактор для использованного анолита; 10-реактор для получения БАД; 11-реактор для обработанной дробины; 12- реактор для получения ферментного раствора; 13-бункер для спирулины; 14-УЗ-установка; 15-аппарат вакуум-выпаривания.

Спирулина,

Рисунок 7. Технологическая блок-схема производства биологически активной добавки (БАД)

выводы

1. Разработана технология получения БАД из пивной дробины на основе биотехнологических принципов.

2. Установлены оптимальные режимы (рН 3, продолжительность 10 мин, гидромодуль 1:2) обработки пивной дробины ЭХА раствором (анолитом) для ее дезинфекции, которые позволяют увеличивать срок хранения до 72 ч при температуре 25-30°С.

3. Подобран ферментный препарат Ondea Pro и его дозировка 0,4 % от количества сухих веществ пивной дробины, позволяющий получить максимальные значения белковых и редуцирующих веществ, соответственно (мг/100см3): 214,3 и 2,41.

4. Определены способы интенсификации процессов брожения, а именно внесение спирулины платенсис в количестве 2 мг и УЗ-обработка при получении БАД, позволяющие более чем в 2 раза превысить бродильную активность дрожжей.

5. Подобрана дозировка спирулины платенсис - 2 мг. При этом бродильная активность дрожжей увеличилась в 2,33 раза по сравнению с контролем.

6. Из приведенных сравнительных методов дополнительной обработки ферментолизатов (магнитное перемешивание, гомогенизация, УЗ-обработка) выбрана УЗ-обработка, позволяющая более чем в 2 раза превысить бродильную активность дрожжей и их концентрацию.

7. Получен опытно-промышленный образец БАД; исследован его углеводный и аминокислотный состав в сравнении с известным зарубежным аналогом, позволяющий сократить продолжительность брожения квасного сусла на 20-30 %. Установлено наличие в опытном образце аминокислоты триптофан, что положительно сказывается на органолептических показателях кваса.

8. Разработана технологическая инструкция (ТИ) на производство биологически активной добавки (БАД) из пивной дробины. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии получения Ют БАД из пивной дробины составляет 1 млн 940 тыс руб в год.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Цаголов, З.Е. Разработка биологически активного вещества из пивной дробины для интенсификации процесса брожения. Часть I. Подбор биокатализаторов для биоконверсии пивной дробины [Текст] / Цаголов З.Е., Гернет М.В. // Пиво и напитки,-2011. -№ 6. -С.30-31.

2. Цаголов, З.Е. Разработка биологически активного вещества из пивной дробины для интенсификации процесса брожения. Часть II. Подбор оптимальной обработки ферментолизата пивной дробины [Текст] / Цаголов З.Е., Гернет М.В. // Пиво и напитки,-2012.-№ 1.-С.13-15.

3. Цаголов, З.Е. Биотехнологические спекты переработки пивной дробины для получения биологически активного вещества (БАВ)[Текст] / Цаголов З.Е., Гернет М.В. // Сборник материалов молодых ученых и специалистов по направлению «Технологии и производственный менеджмент». - Москва: МГУПП. —2011. - С.328-333.

4. Цаголов, З.Е. Биоконверсия пивной дробины, для получения биологически активного вещества с целью использования в бродильных производствах [Текст] // Сборник трудов конференции «Пути интенсификации производства и переработки сельскохозяйственной продукции в современных условиях» // ГНУ Поволжский НИИ производства и переработки мясомолочной продукции Россельхозакадемии, Волгоград. - 2012. — С.133-134.

Подписано в печать 10.04.2014. Формат 60x84/16 Усл. п. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ 66

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий». Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции,19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»

042014^94^1 На правах рукописи

?

ЦАГОЛОВ ЗАУР ЕРМАКОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ДОБАВКИ ИЗ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ

05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ»

Диссертация

\

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гернет Марина Васильевна

Москва 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

ГЛАВА 1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................8

1.1. Пивная дробина, как ценный источник питательных веществ вторичных сырьевых ресурсов............................................................................8

1.1.1. Характеристика пивной дробины.....................................................8

1.1.2. Способы использования пивной дробины.....................................10

1.2. Электрохимическая обработка воды и растворов................................23

1.2.1. Общие сведения о ЭХА воде и технологии ее получения.............23

1.2.2. Использование ЭХА водных растворов в качестве дезинфицирующих средств...............................................................................26

1.2.3. Применение ЭХА воды в пищевой промышленности..................27

1.3. БАД в роли активаторов процессов брожения..........................................31

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................38

2.1. Объекты исследования................................................................................38

2.2 Методы исследований...........................................................................42

2.2.1. Определение содержания азотистых веществ........................................42

2.2.2. Определение количества редуцирующих веществ.................................42

2.2.3. Определение количества сухих веществ.................................................42

2.2.4. Определение активной кислотности (рН)...............................................42

2.2.5. Определение качественного и количественного

состава аминокислот..........................................................................................43

2.2.6. Определение количества Сахаров в растворах БАД

методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).............43

2.2.7. Определение концентрации дрожжевых клеток.....................................43

2.2.8. Определение бродильной активности дрожжей.....................................43

2.2.9. Вакуум-выпаривание................................................................................44

2.2.10. Установка для приготовления ЭХА растворов и технология их производства.......................................................................................................44

2.2.11. Обработка ферментализатов..................................................................45

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БАД ИЗ ПИВНОЙ

ДРОБИНЫ..........................................................................................................47

3.1 Исследование дезинфицирующих свойств ЭХА-растворов......................47

3.2. Подбор ферментного препарата для гидролиза ингредиентов, входящих в состав пивной дробины.................................................................50

3.2.1 Исследование ферментного препарата Laminex®BG2...........................51

3.2.2 Исследование ферментного препарата Alphalase®AP3..........................52

3.2.3 Исследование комплексного действия ферментных препаратов Laminex®BG2 и Alphalase®AP3.......................................................................53

3.2.4 Исследование ферментного препарата Ultraflo МАХ.............................57

3.2.5 Исследование ферментного препарата Attenuzime®Flex........................59

3.2.6 Исследование ферментного препарата Termamyl SC..............................60

3.2.7 Исследование комплексного действия ферментных препаратов Ultraflo МАХ и Attenuzime®Flex.......................................................................62

3.2.8 Исследование комплексного действия ферментных препаратов Ultraflo МАХ и Attenuzime®Flex.......................................................................64

3.2.9 Р1сследование ферментного препарата Ondea Pro...................................66

3.3 Исследование влияния ферментолизата пивной дробины

на бродильную активность дрожжей................................................................70

ГЛАВА 4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КВАСА И ПИВА................................................................74

4.1 Исследование использования спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания Б АД.......................................................74

4.2 Исследование обработки БАД из ферментолизата пивной дробины

на процесс брожения квасного сусла................................................................78

4.2.1 Обработка БАД на магнитной мешалке...................................................80

4.2.2 Обработка БАД методом гомогенизации.................................................82

4.2.3 Обработка БАД ультразвуком..................................................................92

4.3 Исследование влияние БАД на показатели молодого пива.....................102

4.4. Получение БАД и исследование ее состава в сравнении с известным зарубежным аналогом................................................................103

4.5 Технологическая блок-схема получения БАД из пивной дробины.........105

ВЫВОДЫ.........................................................................................................109

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................111

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................128

Приложение 1 Экономические расчеты..........................................................129

Приложение 2 Технологическая инструкция по производству БАД на основе пивной дробины.............................................................................132

Приложение 3 Результаты физико-химических испытаний БАД................140

Приложение 4 Акт испытаний........................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Пивоваренная отрасль является одной из ведущих в пищевой промышленности России и других стран.

Получение конечного продукта происходит с образованием различных, так называемых, вторичных сырьевых ресурсов (ВСР) — отходов, являющихся ценным сырьем для создания других продуктов, в том числе и пищевых.

Актуальность вопроса утилизации ВСР уже давно ни у кого не вызывает сомнений, так как в первую очередь это связано с вопросом экологии. Из ВСР пивоваренного производства наибольший интерес, как по количеству, так и по качественному составу вызывает пивная дробина.

Известны основные пути ее применения: использование в качестве корма для скота; для выращивания плесневых грибов и дрожжей; после специальной обработки — в качестве добавок в различные пищевые продукты. Однако многие аспекты до сих пор не реализованы в промышленных масштабах [72].

В последние годы достаточно широко и успешно применяют активаторы брожения, к которым следует отнести вещества жирного ряда, различные экстракты, витамины, азотсодержащие вещества, минеральные соли.

В связи с вышеизложенным, актуальным следует считать исследования и разработку технологии получения биологически активной добавки (БАД) из ВСР и применение их для интенсификации процессов брожения.

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка комплексной технологии получения БАД из пивной дробины на основе биотехнологических принципов.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. обосновать параметры обработки пивной дробины экологически чистыми реагентами для ее дезинфекции;

2. выбрать и проанализировать применение ферментных препаратов (ФП) для получения ферментолизага пивной дробины;

3. теоретически обосновать и экспериментально подтвердить целесообразность использования спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания БАД для интенсификации процессов брожения;

4. исследовать и установить способ обработки ферментолизата пивной дробины для интенсификации процесса брожения кваса и пива;

5. получить БАД и исследовать состав в сравнении с известным зарубежным аналогом;

6. провести опытно-промышленную апробацию предложенной технологии и рассчитать экономическую эффективность от применения БАД при производстве продуктов брожения (на примере кваса).

Научная новизна работы. Исследованы дезинфицирующие свойства электрохимически активированных (ЭХА) растворов при переработке дробины.

Проанализированы и выбраны ферментные препараты (Laminex®BG2+ Alphalase®AP3; Ondea Pro), позволяющие эффективно проводить биокатализ основных составляющих пивной дробины.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено использование спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания БАД для интенсификации процессов брожения.

Исследованы физические методы (перемешивание, гомогенизация, УЗ - обработка) обработки ферментолизата пивной дробины и установлены параметры обработки для максимального извлечения азотистых и редуцирующих веществ.

Исследованы аминокислотный и углеводный составы, полученной БАД и проведен ее сравнительный анализ с известным зарубежным аналогом.

Практическая значимость работы. Разработана технология производства БАД из пивной дробины для интенсификации процесса брожения:

- разработаны режимы дезинфекции пивной дробины анолитом, полученном на установке СТЭЛ, в результате которой увеличился срок её хранения в 3-4 раза с сохранением асептики;

- проведен сравнительный анализ биокаталитических свойств ФП для интенсивной биодеградации пивной дробины;

- подобраны условия действия выбранного ФП, при применении которого концентрации азотистых и редуцирующих веществ в ферментолизате увеличена по сравнению с исходным сырьем в 4,2 и 3,7 раз соответственно;

- исследовано влияние физических и химических приемов и разработана дополнительная стадия в технологическом процессе получения БАД — обработка ферментолизата ультразвуком и дополнительное введение источника витаминов в виде препарата спирулина платенсис. Разработанные приемы позволили интенсифицировать процесс брожения на 20-30% при одновременном улучшении качества готового продукта;

- разработана ТИ получения БАД на основе пивной дробины;

- в производственных условиях ООО «Солар Бир»(г.Москва) проведена промышленная апробация БАД;

- ожидаемый расчётно-экономический годовой эффект от внедрения технологии утилизации пивной дробины для получения Ют БАД составляет 1 млн 940 тыс руб.

ГЛАВА 1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Пивная дробина, как ценный источник питательных веществ вторичных сырьевых ресурсов

В настоящее время структурная и инвестиционная политика в пищевой промышленности РФ ориентирована на использование ВСР (вторичные сырьевые ресурсы) в основном, в непереработанном виде, в результате чего теряется до 40% ценных питательных веществ. Более 70% (от объема образования) ВСР скармливается животным в естественном виде и только 15-20% направляется на промпереработку, в результате чего вырабатывается около 1,0 млн. т продукции в год [73].

В пивоваренном производстве полезными отходами являются: зерновые отходы при очистке и сортировке ячменя, сплав ячменя при его замачивании, солодовые ростки, получаемые при ращении и сушке солода, зерновые отходы при полировке солода, пивная дробина после варки сусла, белковый отстой при охлаждении сусла и пивные дрожжи, образующиеся в процессе брожения.

Наиболее важным отходом пивоваренного производства как по количеству, так и по питательным свойствам, является пивная дробина, которая состоит из плодовых и зерновых оболочек ячменя и других нерастворимых в воде веществ [49].

1.1.1. Характеристика пивной дробины

Пивная дробина - побочный продукт пивоваренной промышленности, получаемый при выработке сусла из ячменя и солода.

На 100 кг переработанных зернопродуктов получается 120... 125 кг сырой пивной дробины, содержащая 20...25% сухих веществ [81].

Свежая пивная дробина представляет собой гущу коричневатого оттенка со специфическим запахом и вкусом, в которой может оставаться до 77% белковых веществ и 80 % жира, содержащиеся в продуктах затирания [34].

Пивная дробина содержит оболочки, крахмал неосахаренный и различные нерастворимые вещества эндосперма [40].

Количество образующейся пивной дробины зависит от множества факторов, в том числе от качества и выбора затираемых зернопродуктов, используемой технологии оборудования и т.д. [72].

Химический состав пивной дробины представлен в таблице 1 [72].

Таблица 1. Химический состав пивной дробины

Показатель, в 1кг пивной дробины Сырая Сухая

Сухое вещество, г 232 887

Сырой протеин, г 58 217

Лизин, г 2,2 7,7

Метионин + цистин, г 1 3,5

Сырая клетчатка, г 39 160

Безазотистые экстрактивые вещества (БЭВ), г 107 406

Сырой жир, г 17 60

Кальций, г 0,5 3

Калий, г 0,3 1,7

Фосфор, г 1Д 6,6

Магний, г 0,4 1,9

Натрий, г 0,65 3

Железо, мг 50 90

Медь 2,2 21,3

Цинк, мг 22 58

Марганец, мг 8 17,6

Кобальт, мг 0,05 0,2

Иод, мг 0,02 од

Каротин, мг 1,6 -

Витамин Е (токоферол), мг 14 23

Витамин В1 (тиамин), мг 0,2 0,6

Витамин В2 (рибофлавин), мг 0,3 0,9

Витамин В4 (холин), мг 510 1300

Витамин В5 (никотиновая кислота), мг 13 36

Зола пивной дробины содержит фосфорного ангидрида 40,5 %, оксиды калия 3,9%, кальция 0,5%, магния 11,5%, кремния 23,3% [56].

Обнаружены такие сахара как - манноза, ксилоза, арабиноза, глюкоза и галактоза. Высокое содержание глюкозы (17,85%) в трудногидролизуемой фракции показывает, что состав пивной дробины содержит целлюлозу и трудногидролизируемый (3-глюкан [64].

В жидкой фазе пивной дробины были обнаружены липидные вещества, которые представлены в основном триглециридами, свободными жирными кислотами и фосфолипидами [136].

Дробина обладает хорошей усвояемостью и благоприятным влиянием ее состава на пищеварительную систему животных, благодаря чему ее относят к ценным кормам. Протеин дробины содержит все незаменимые аминокислоты [108].

Главный технологический показатель пивной дробины - общий экстракт, не должен превышать 1,5-2,0 %, в том числе вымываемый 0,6-0,9% и невымываемый 0,9-1,3 % к массе сырья [88], с увеличением влажности дробины - экстрактивность уменьшается [64].

1.1.2. Способы использования пивной дробины

В пивоварении, как одной из отраслей пищевой промышленности, образуется огромное количество различного рода отходов (до 1 млн. т). Основным из этих отходов является дробина, на долю которой приходится около 80% от всей массы [30].

Хранят дробину в специально оборудованных бункерах. При хранении пивной дробины в течении месяца происходит накопление уксусной кислоты в количестве 125,7±0,13 мг/кг, что приводит к увеличению ее экологической опасности (IV класс опасности отхода) [72,73].

Производители пива заинтересованы в сбыте пивной дробины, в частности в летний период года, когда она подвергается более интенсивному раз-

ложению. Реализацию пивной дробины осуществляют по обусловленной цене [28, 54, 96, 112, 121].

Следует выделить несколько направлений утилизации дробины, по которым проводятся научные исследования:

- использование вторичных сырьевых ресурсов (ВСР) пивоварения в процессах солодоращения и пивоварения [72, 158, 159];

- повышение питательной ценности вторичных сырьевых ресурсов (ВСР), используемых в качестве корма, получаемый способом гидролиза плохо усвояемых полисахаридов [72,144];

- повышение питательной ценности углеводсодержащих отходов, идущих на кормовые цели путем добавления белка микробного происхождения, минеральных солей, органических соединений (пептидов, аминокислот и др.) и обезвоживания [72, 137,145,146,166];

- производство антибиотиков и других биологически активных веществ используемых для корма или добавок в корма птице и молодняку [72, 138,150];

- производство пищевого белка, аминокислот, фармацевтических препаратов, косметических и парфюмерных добавок [25, 64, 72,147];

- использование отходов пивоваренной промышленности в производстве продуктов питания [72,104,135,142,148,155].

1.1.2.1. Пивная дробина в животноводстве

В настоящее время одним из основных способов применения пивной дробины является ее использование в качестве корма. Она относится к лучшим видам отходов как по переваримости, вкусовым качествам, так и по содержанию протеина, обладает относительно высокими кормовыми достоинствами [34]. Ее охотно поедают все виды животных [41,72,103,123].

Кормовые рационы свиней примерно на 34% состоят из пищевых отходов и 66% из комбикормов [53].

Пивную дробину рекомендуются скармливать на голову в сутки (кг): быкам-производителям - 4...5; коровам - 15...20; нетелям - 10... 12; молодняку КРС старше года - 8... 10; телятам до 1 года - 4...5; откормочному поголовью КРС -15...20; хрякам и свиноматкам — 4...5; молодняку - 2...2,5; поросятам старше 4 месяцев и свиньям на откорме - 3...4 [81].

Пивная дробина в свежем и сухом виде является хорошим молокогонным и белковым кормом, поэтому с успехом используется для скармливания коровам и для откорма крупного рогатого скота и свиней. Кормовые достоинства 100 кг дробины составляет для свежей дробины 23 кормовых единицы, а для сухой - 80 единиц [46].

Как видно из табл.1, пивная дробина содержит витамины группы В, Е, что в свою очередь является необходимыми компонентами кормления сельскохозяйственных животных, и без них невозможно обеспечить сбалансированное питание, а, следовательно и высокую продуктивность [26].

Однако, пивная дробина бедна минеральными веществами и водорастворимыми витаминами, поэтому наиболее целесообразно использовать ее для откорма КРС совместно с биотрином. В ходе опытов было установлено, что она обогащает рацион протеином и способствует повышению обмена его в организме коров,