автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологии этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства

На правах рукописи

СИДЯКИН МАКСИМ ЭДУАРДОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ДПР 2014

Воронеж-2014

005546843

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Крикунова Людмила Николаевна ГНУ ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности, заведующий лабораторией

Официальные оппоненты: Поляков Виктор Антонович

доктор технических наук, профессор, академик РАСХН, ГНУ ВНИИ пищевой биотехнологии РАСХН, директор Яковлев Алексей Николаевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», доцент Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им, К.Г. Разумовского», г. Москва Защита состоится «07» мая 2014 года в 10 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 гербовою печатью учреждения, просим присылать ученому секретарю совета Д 212.035.04.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "ВГУИТ". Полный текст диссертации размещен в сети «Интернет» на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru 25.02.2014 г. Автореферат размещен в сети «Интернет» на официальном сайте Министерства образования и науки РФ по адресу: www.vak2.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru 04 марта 2014 г. Автореферат разослан «29» марта 2014 г.

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

S.W

Успенская М.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Оценка ситуации, складывающейся в спиртовой отрасли России, показывает, что основным сырьем при производстве этанола являются различные виды зерновых культур, лидирующее место при этом отводится пшенице и ржи. Зерновые ресурсы относятся к широко востребованному многофункциональному сырью, что приводит к конкурентной борьбе с другими потребителями, вследствие чего спиртовые заводы могут испытывать трудности с поставками сырья. В целом спиртовая отрасль характеризуется низкой рентабельностью, большой материало- и энергоемкостью и тесной зависимостью от сырьевой базы. Данный факт подтверждает перспективность расширения сырьевой базы отрасли за счет вовлечения в производство нетрадиционных видов сырья, что позволяет нивелировать риски при закупке сырья.

Одним из новых перспективных видов сырья могут быть возвратные отходы хлебопекарной отрасли, в частности пшеничный хлеб, нереализованный в торговой сети и брак, образующийся на хлебозаводе. Переработка данного сырья в этанол не только может расширить сырьевую базу спиртовых предприятий, но и позволит решить проблему утилизации отходов хлебопекарной отрасли.

Возвратные отходы хлебопекарного производства, так же как и традиционное зерновое сырье, относятся к крахмалсодержащему. Однако, биохимический состав данного вида сырья существенно отличается в связи с тем, что компоненты пшеничной муки подвергаются глубоким изменениям в ходе технологических процессов производства хлеба. Специалистам спиртовой отрасли известно, что выход и качественные характеристики этанола зависят от исходных свойств сырья, определяются способами и режимами получения и сбраживания сусла. Исходя из этого, производство этанола из нового вида сырья требует проведения исследований на отдельных этапах его переработки.

Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой технологии этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства являются актуальными и перспективными.

Цели и задачи исследований: разработка технологии этилового спирта на основе проведения комплексных исследований изучения свойств нового для спиртовой отрасли вида сырья, процессов получения из нетрадиционного сырья сусла и его сбраживания с учетом особенностей развития спиртовых дрожжей.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи: - провести комплексные исследования по изучению биохимических и микробиологических характеристик нового вида сырья - возвратных отходов хлебопекарного производства, по результатам которых выявить перспективность использования их в качестве сырья для производства этилового спирта;

разработать режимы и технологические параметры водно-тепловой и ферментативной обработки нового вида сырья;

- изучить влияние состава сусла, полученного из нового и традиционного вида сырья, на развитие спиртовых дрожжей;

- обосновать выбор расы спиртовых дрожжей, используемой в виде чистой культуры и сухих, для сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства;

- определить факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла; провести сравнительный анализ образцов зрелой бражки на содержание этилового спирта и летучих примесей;

- оптимизировать процесс сбраживания осахаренного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства;

- разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Научные положения, выносимые на защиту:

- основные биохимические и микробиологические свойства возвратных отходов хлебопекарного производства, оценка нового вида сырья с позиции спиртовой отрасли;

- технологические решения по разработке технологии этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства;

- результаты эффективности новой технологии этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Научная новизна. Выявлены существенные отличия в углеводном и белковом комплексах, а также реологических и микробиологических характеристиках нового вида сырья в сравнении с традиционным зерновым сырьем, положенные в основу научного обоснования режимных параметров получения сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Установлена взаимосвязь показателей качества осахаренного сусла и режимных параметров водно-тепловой и ферментативной обработки нового вида сырья.

На основании проведения модельных опытов, впервые выявлены различия в минеральном составе сусла, полученного из традиционного и нового вида сырья, позволившие обосновать влияние состава сусла на развитие спиртовых дрожжей.

Получены новые научные данные о минеральном составе и содержании свободных аминокислот в водорастворимой фракции трех рас сухих спиртовых дрожжей, научно обосновывающие эффективность применения дрожжей расы Еептно1.

Выявлена корреляционная зависимость между биохимическими показателями сусла и основными факторами, влияющими на процесс сбраживания, на основании которой рекомендовано использовать ферментный препарат протеолитического действия Алкалазу 2,4 Ь Бв и расы дрожжей: 987-0-5 и сухие Регтю1.

Впервые исследован состав бражки, полученной при сбраживании сусла из нового вида сырья, по содержанию этилового спирта и вредных летучих примесей. Проведена оптимизация технологического процесса.

Практическая значимость. Экономически обоснована перспективность использования для производства этилового спирта нового нетрадиционного вида сырья -возвратных отходов хлебопекарного производства. Преимуществами данного вида сырья по сравнению с традиционными являются:

- повышенное на 7-13 % содержание основного ценного компонента - крахмала и его большая доступность к ферментативному гидролизу;

- меньшее содержание кислотообразующих микроорганизмов, ответственных за нарастание кислотности сбраживаемой среды;

- реологические характеристики, позволяющие исключить из технологического процесса стадию дробления сырья.

Разработана новая технология этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства, позволяющая упростить технологический этап производства сусла, исключив стадии получения помола, обработки сырья при температуре 45-50 °С, сократив продолжительность на стадии получения сусла с 4 до 2,5 часов, снизить норму внесения разжижающего ферментного препарата с 1,0-2,0 ед. АС до 0,5 ед. АС/г условного крахмала сырья; интенсифицировать процесс сбраживания, повысить на 1,0 -1,5 дал выход спирта из тонны условного крахмала. Технические решения, положенные в основу разработанной технологии, защищены патентом РФ № 2473693.

Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии в условиях ГУП Московский опытный завод Россельхозакадемии.

Разработан и утвержден опытно-промышленный регламент получения спирта из возвратных отходов хлебопекарного производства ОПР 01-07542709-2012.

По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по разработанному варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут. составила 10,65 млн. руб.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует пунктам 1, 2, 4, 5 паспорта специальности 05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ».

Апробация результатов исследований. Результаты работы докладывались на научных конференциях: XI международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010), 7-й международной научно-практической конференции «Современные технологии и оборудование для хлебопекарного и кондитерского производства» (Минск, 2011), конференции молодых ученых и специалистов по направлению «Технологии и производственный менеджмент» (Москва, 2011).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 10 научных работах, включая 6 статей в журналах, рекомендованных для опубликования основных результатов исследований ВАК Минобрнауки РФ, 1 Патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 185 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 136 страницах машинного текста, содержит 20 рисунков и 43 таблицы. Список литературы включает 185 источников российских и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Обоснована актуальность темы диссертации, ее научно-практическое значение.

1 Обзор литературы

В обзоре литературы приведены данные о биохимическом составе, микробиологических характеристиках нового крахмалосодержащего вида сырья, показаны пути образования и традиционного использования возвратных отходов хлебопекарного производства, рассмотрено влияние вида основного сырья на затраты на отдельных этапах производства спирта, приведены данные о факторах, влияющих на процесс сбраживания сусла из крахмалсодержащего сырья.

2 Экспериментальная часть 2.1 Материалы и методы исследования

Исследования осуществляли в лабораторных и промышленных условиях на базах ФГБОУ ВПО «МГУПП», научно-исследовательском институте питания РАМН, центре биологической безопасности управления медицинского обеспечения службы хозяйственного обеспечения ФСО России, ГУЛ Московский опытный завод Россельхозакадемии.

Объектами исследований являлись образцы хлеба, поступившие с хлебозавода № 24 г. Москвы; образцы пшеницы фуражного и хлебопекарного качества урожаев 2009 — 2011гг.

В работе применяли ферментные препараты: Термамил SC, Ликвамил 1200, BAN 480L, Зимаджунт HT-340C+N, СанСупер 360L, Конверзим АМГ-300, Нейтраза 0,8 L, Алкалаза 2,4 L FG.

Анализ сырья и полупродуктов производства проводили с применением общепринятых методов биохимических и микробиологических исследований, принятых в спиртовой и других отраслях пищевой промышленности, а также ряда специальных методов: метода высокоэффективной жидкостной хроматографии - определение аминокислотного состава проб, метода атомно-абсорбционной спектрометрии -определение минерального состава проб и метода газовой хроматографии - определение летучих примесей в бражке.

Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась по программе Excel 2007 Microsoft Office, вычисляя среднее значение и стандартное отклонение для каждой величины, а также доверительный интервал при уровне значимости 95%

2.2 Результаты исследований и их обсуждение 2.2.1 Новое нетрадиционное сырье для спиртовой отрасли

Одним из новых перспективных видов сырья в соответствии с его биохимическим составом могут быть возвратные отходы хлебопекарной отрасли, в частности пшеничный хлеб.

Биохимический состав возвратных отходов хлебопекарного производства

Проведена сравнительная характеристика показателей, определяющих биохимический состав традиционного и нового видов крахмалсодержащего сырья. Показано (таблица 1), что содержание крахмала в пересчете на сухое вещество в опытных образцах выше, чем в контрольных на 7-13%, что с позиции спиртовой отрасли повышает ценность данного вида сырья. Так же выявлено, что в нем содержится меньше некрахмальных полисахаридов (клетчатки, гемицеллюлоз), почти в 5 раз больше высокомолекулярных декстринов и свободных Сахаров.

Таблица 1 - Биохимический состав традиционного и нового вида сырья.

Массовая доля, % Зерно пшеницы Хлеб пшеничный

Контроль 1 Контроль 2 Образец 1 Образец 2 Образец 1* Образец 2*

Влага 13,87 12,52 38,76 32,05 5,08 5,19

Крахмал 51,46 55,17 44,89 47,67 69,58 66,51

Декстрины 0,88 0,67 2,17 2,73 3,37 3,81

Редуцирующие сахара 1,55 1,15 3,07 4,19 4,76 5,85

Некрахмальные полисахариды 14,16 13,86 2,20 2,17 3,42 3,03

Общий белок 11,67 12,12 6,45 7,60 10,00 10,60

Жир 1,89 1,96 2,54 3,42 3,94 4,77

Зола 2,64 1,91 1,30 1,39 2,02 1,94

*- образцы после сушки

Установлено, что крахмал нового вида сырья характеризуется повышенной ферментативной атакуемостью микробными а-амилазами (таблица 2). Также выявлено, что увеличение степени измельчения зерна пшеницы приводит к закономерному повышению содержания декстринов в контрольных пробах. В опытных образцах, напротив, несмотря на более существенную разницу в характеристиках помолов, содержание декстринов практически не меняется. Последнее, скорее всего, связано с существенными отличиями в структурно-механических свойствах пшеничного хлеба.

Напротив, гидролиз белков хлеба при внесении микробной протеазы характеризуется меньшим накоплением растворимого белка (0,63-0,65 против 0,85-0,90 мг/см3), чем при использовании пшеницы. Данный факт необходимо учитывать при разработке способов получения и сбраживания сусла из пшеничного хлеба.

В целом, новое нетрадиционное сырье характеризуется повышенным содержанием крахмала, его высокой способностью к деструкции под действием микробных амилаз,

что позволяет прогнозировать снижение норм внесения ферментных препаратов, либо сокращения длительности водно-тепловой и ферментативной обработки на стадиях получения разваренной массы и сусла.

Таблица 2 - Ферментативная атакуемость крахмала сырья микробными амилазами

Сырье % прохода через сито диаметром d=lMM Содержание декстринов, мг/см3

Исходные данные 20 мин. 40 мин. 60 мин.

Помол пшеницы (контроль) 80% Без ф.п. 0,06 0,08 0,11

С ф.п. 0,10 0,14 0,17

100% Без ф.п. 0,07 0,09 0,12

С ф.п. 0,09 0,17 0,22

Помол из хлеба (опыт) 30% Без ф.п. 0,40 0,44 0,42

С ф.п. 0,63 2,36 1,60

100% Без ф.п. 0,41 0,44 0,42

С ф.п. 0,63 2,38 1,62

Микробиологические характеристики традиционного и нового вида сырья для производства этанола

При оценке технологических свойств новых нетрадиционных видов сырья изучают их биохимические характеристики, структурно-механические свойства, а также микробиологические показатели. Последние в значительной степени определяют выбор режимных параметров переработки сырья.

Классическая схема механико-ферментативной переработки зерна не предусматривает технологических операций, направленных на повышение исходных характеристик микробиологического состояния используемого зернового сырья.

Сравнение микробиологических характеристик традиционного и нового вида сырья позволило выявить их существенные отличия. Для оценки количественного и качественного состава микроорганизмов образцы были посеяны на следующие среды: мясо-пептонный агар (МПА) для определения КМАФАнМ и В. subtilis, сусло-агар (CA) для определения мицеллиальных грибов и дрожжей. По внешним морфологическим признакам колоний, выросших на МПА, в образцах помола пшеницы преобладали бактерии Ervinia herbicola, а также спорообразующие бактерии и кокки. На CA преобладали мицеллиальные грибы родов Fusarium и Alternaria, а также дрожжи. Результаты представлены в таблице 3.

Судя по результатам посевов, обсемененность образцов возвратных отходов хлебопекарного производства существенно отличаются между собой, особенно по содержанию мицеллиальных грибов и B.subtilis. Причиной выявленных отличий является то, что пшеничный хлеб Образца 1 по классификации относится к возвратным отходам хлепопекарного производства, а пшеничный хлеб Образца 2 подвергали хранению в течение 4 дней, то есть данный образец хлеба подлежал утилизации.

Таблица 3 - Микробиологическая характеристика сырья

Вид сырья Содержание микроорганизмов, КОЕ/г

КМАФАнМ ВасШиБ БиЫШя Мицелиальные грибы

Помол пшеницы (Контроль 1) 300 135 140

Пшеничный хлеб (Образец 1) 25 15 10

Пшеничный хлеб (Образец 2) 250 200 30

Было установлено, что новый вид сырья (пшеничный хлеб) характеризуется меньшим содержанием кислотообразующих микроорганизмов в сравнении с помолом из пшеницы, что подтверждалось результатами проб на самозакисание (таблице 4). Таблица 4 - Показатель кислотности проб на самозакисание

Вид сырья Кислотность, °Д

Начальная Через 2-е суток Нарастание кислотности

Помол пшеницы (Контроль 1) 0,24 0,92 0,68

Помол пшеницы (Контроль 2) 0,25 0,64 0,39

Пшеничный хлеб (Образец 1) 0,19 0, 25 0,06

Пшеничный хлеб (Образец 2) 0,20 0,37 0,17

2.2.2 Режимы и технологические параметры получения осахарениого сусла из пшеничного хлеба

В настоящей работе для получения осахаренного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства был выбран наиболее перспективный в настоящее время способ механико-ферментативной обработки. Были проведены исследования по выбору ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия и изучена возможность снижения их дозировок, а также осуществлен подбор температурно-временных режимов водно-тепловой и ферментативной обработки.

Анализ качественных характеристик образцов сусла из пшеницы и возвратных отходов хлебопекарного производства, полученных по режиму Регламента, позволил установить, что при равном гидромодуле, учитывающем исходную влажность сырья, сусло, полученное из хлеба, характеризуется повышенной концентрацией сухих веществ в среднем на 2,0%, увеличенной долей сбраживаемых углеводов на 3,7-4,6%, в основном за счет повышения массовой доли свободных Сахаров, возрастанием видимой доброкачественности до уровня 92-95%. Вместе с тем, получение сусла из хлеба по режиму Регламента, дает на первом этапе нетехнологичную среду. Уровень текучести превышает допустимое значение (10 секунд). В качестве фактора для возможности решения проблемы нетехнологичности сред из пшеничного хлеба на паузе 1 механико-ферментативной обработки сырья рассмотрена температура воды при замесе (от 40 до 100 °С).

Было выявлено (рисунок 1) четкое снижение данного показателя при увеличении температуры воды от 40 до 100 °С. Пробы, полученные при I = 70-100°С, имеют показатель текучести на уровне допустимых значений для технологичных сред, т.е. не превышают 10 секунд. Однако обработка сред при 70°С, по сравнению с использованием более горячей воды, по экономическим показателям более предпочтительна, поэтому именно эта температура выбрана для дальнейших исследований. Показано, что замес при 70°С позволяет снизить текучесть до допустимых значений и одновременно начать процесс сразу со второй паузы.

60---

40 50 60 70 80 90 100

Температура воды, °С

Рисунок 1 - Влияние температуры замеса на текучесть сред (пауза 1) Следующий этап работы был посвящен выбору ферментных препаратов амилолитического действия, предназначенных для получения сусла из пшеничного хлеба. Постановка данной серии экспериментов проводилась с целью выявления субстратной специфичности технологической среды из нового вида сырья.

Установлено (таблица 5), что вид препарата практически не влияет на концентрацию сусла и количество сбраживаемых углеводов.

Таблица 5 - Показатели качества сусла в зависимости от применяемых амилолитических ферментных препаратов разжижающего действия

Ферментный Образец Содержание в сусле, %

препарат хлеба СВ ОРВ РВ Белок

Мезофильные ферментные препараты

ВАИ 480Ь 1 19,2 18,0 12,4 0,6

2 18,9 17,1 10,5 0,4

Ликвамил 1200 1 19,2 18,2 12,6 0,8

2 18,8 17,3 10,1 0,6

Термостабильные ферментные препараты

Тегтату1 БС 1 19,2 18,1 12,9 0,6

2 18,6 17,3 10,0 0,4

Зимаджунт НТ- 1 19,0 17,3 10,5 0,5

340С+ N 2 18,2 17,0 9,5 0,4

Также показано, что использование препарата Ликвамил 1200, дает сусло с максимальным содержанием растворимых белков, характеризующееся минимальным значение текучести (7-8 секунд против 10-13 при использовании других препаратов). Поэтому ферментный препарат Ликвамил 1200 выбран в качестве лучшего.

Аналогичные исследования были проведены с ферментными препаратами осахаривающего действия. Выбран препарат ЗапБирег 360Ь.

Далее были проведены эксперименты по определению рациональных норм внесения ферментных препаратов, позволившие рекомендовать снижение дозировки препарата разжижающего действия с 2,0 до 0,5 ед. АС и дозировки осахаривающего препарата с 6,0-8,0 до 2,0 - 4,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья с уточнением последней после проведения исследований по сбраживанию.

При решении задачи, направленной на сокращение длительности водно-тепловой и ферментативной обработки сырья при получении сусла были выполнены эксперименты с варьированием длительности отдельных пауз (таблица 6).

Установлено, что большее влияние на основные показатели сусла оказывает длительность выдержки сырья на второй паузе.

Выявлены оптимальные режимы получения сусла (варианты №5 и №6), характеризующиеся показателями качества на уровне контроля (вариант №1) при снижении обшей продолжительности на стадии водно-тепловой и ферментативной обработки с 3,5-ной до 2-х часов.

Таблица 6 - Влияние длительности пауз на стадии водно-тепловой и ферментативной обработки на показатели качества сусла

№ п/п Тобш 1 мин Длительность пауз, мин Массовая доля в сусле, %

Пауза 2 (1=70-75 °С) Пауза 3 (1=95-98°С) СВ ОРВ РВ белок

1 180 90 90 18,8 17,3 10,1 0,6

2 150 60 90 18,6 17,2 12,0 0,6

3 150 90 60 18,6 17,2 10,2 0,5

4 120 30 90 17,6 14,5 8,7 0,4

5 120 60 60 18,6 17,6 10,9 0,6

6 120 90 30 18,6 17,4 10,6 0,6

7 90 60 30 18,2 16,8 10,6 0,4

8 90 30 60 17,4 14,5 9,3 0,4

2.2.3 Изучение процесса сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства

Эффективность сбраживания зависит от целого ряда факторов. К ним относятся: состав осахаренного сусла, его концентрация, степень гидролиза крахмала сырья, количественный и качественный состав продуктов протеолиза белков; используемые расы спиртовых дрожжей, определяющие особенности метаболизма дрожжевых клеток

при сбраживании углеводов и накопление побочных продуктов брожения; продолжительность сбраживания и температура проведения процесса.

Получение и сравнительная характеристика образцов сусла, предназначенных для выбора дрожжей

С целью возможности прогнозирования развития спиртовых дрожжей на сусле, полученном из пшеничного хлеба, отличающегося по составу от традиционного вида, были проведены эксперименты на модельных средах. В качестве последних были наработаны определенные объемы образцов осветленного сусла, полученного из помола пшеницы и пшеничного хлеба.

Анализ минерального состава контрольного и опытных проб показал их существенные отличия (таблица 7). Установлено, что содержание натрия в опытном образце возрастает более чем в 50 раз по сравнению с контрольным, что связано с добавлением поваренной соли в рецептуру производства хлеба. Вместе с тем известно, что повышенная концентрация ЫаС1 может негативно сказаться на развитии дрожжей. Также показано, что содержание фосфора в сусле из хлеба более чем в 10 раз превышает значение для образца сусла из традиционного вида сырья, что следует считать положительным для спиртовой отрасли фактом, так как дрожжи лучше развивают на средах богатых фосфорным питанием.

Таблица 7 — Минеральный состав образцов осветленного сусла

Содержание, мг/дм3 Сусло из пшеницы Сусло из хлеба

Кальций 13,1 71,5

Магний 127,0 120,0

Натрий 27,2 1246,0

Калий 718,0 315,0

Цинк 4,5 4,3

Железо 0,3 0,9

Марганец 1,7 0,8

Фосфор* 0,002 0,029

* В перерасчете на Р205,%.

Исследование минерального и аминокислотного состава сухих спиртовых дрожжей

В настоящей работе с целью выяснения возможности внесения в сухие импортные дрожжи на стадии их производства активаторов был исследован минеральный и аминокислотный состав водных экстрактов из дрожжей.

Установлено (таблица 8), что дрожжи Ethanol Red содержат меньше кальция и марганца в среднем в 2,5-3,0 раза. Дрожжи Fermiol характеризуются повышенным содержанием магния и фосфора, Angel - натрия и цинка.

Дополнительно был проанализирован состав свободных аминокислот дрожжей (таблица 9). Установлено, что максимальное суммарное количество аминокислот содержится в дрожжах Fermiol.

Содержание, мг/кг Ейапо1 Яес1 А1^е1 1:ептпо1

Кальций 121 387 303

Магний 553 546 868

Натрий 1705 4473 1484

Калий 17350 17062 20018

Цинк 63,8 157 77,7

Железо 10,5 7,6 11,9

Марганец 3,57 10,2 14,4

Фосфор* 1,96 1,80 2,36

* В перерасчете на Р205,%.

Таблица 9 - Содержание основных свободных аминокислот в сухих дрожжах

Содержание, мг/г ЕШапо111ес1 Апяе1 Регтю1

Ь-Лизин 2,30 2,30 2,70

Ь-Гистидин 1,10 1,10 1,50

Ь-Аспарагиновая к-та 2,90 3,20 3,30

Ь-Треонин 0,60 0,50 0,90

Ь-Серин 0,20 0,40 0,70

Ь-Глутаминовая к-та 5,10 5,40 4,50

Ь-Глицин 3,70 3,70 2,70

Ь-Аланин 4,90 4,70 4,80

Ь-Валин 2,10 2,20 4,90

Ь-Метионин 1,50 1,80 1,30

Сумма аминокислот 30,3 32,6 34,8

Выявленные отличия в минеральном и аминокислотном составах водорастворимой фракции дрожжей позволяют предположить внесение в них разных форм и количеств активаторов, т.к. жизнеспособная дрожжевая клетка обладает клеточной стенкой, не позволяющей веществам переходить в окружающую среду.

Исследование процесса культивирования дрожжей

Исследование метаболизма дрожжей в зависимости от состава контрольного и опытного образцов сусла проводилось в двух вариантах: Вариант 1 - использование дрожжей в виде чистой культуры, задача по количеству дрожжевых клеток; Вариант 2 -использование сухих дрожжей, задача по массе.

В таблице 10 представлены данные о влиянии состава сусла на развитие спиртовых дрожжей. Установлено, что для всех исследованных рас дрожжей количество выделившегося диоксида углерода при культивировании на традиционном сусле превышает данное значение в случае использования сусла из нового вида сырья в среднем в полтора раза. Также показано, что процент снижения сухих веществ в сусле, связанный с их использованием для построения дрожжевых клеток и с процессом сбраживания, характеризуется для контроля большим значением, чем для опыта, в среднем в 1,7-2,2 раза. Выявлено, что общее количество дрожжевых клеток, образующихся при культивировании на разных средах, зависит от используемой расы

дрожжей. Применение сусла из нового вида сырья для всех рас дрожжей характеризуется пониженным накоплением клеток.

Таблица 10 - Влияние состава сусла на развитие спиртовых дрожжей рас XII, 987-0 и 987-0-5 (Вариант 1)

Выделение Снижение Кол-во Содержание клеток,

Раса Сырье для со2 концентр. клеток %

дрожжей сусла г/100 см3 сусла дрожжей, Почкую- С глико-

сусла (ДСВ), % млн./см3 щиеся геном

XII Пшеница 2,8 4,5 166,5 11,2 5,2

Хлеб 2,0 2,3 137,5 8,6 3,6

987-0 Пшеница 2,9 5,0 100,5 6,7 12,7

Хлеб 2,1 2,3 92,5 2,9 23,6

987-0-5 Пшеница 3,0 5,1 84,5 6,6 16,7

Хлеб 1,7 3,0 85,0 4,5 38,5

В целом, на данном этапе работы для сбраживания сусла из пшеничного хлеба может быть рекомендована раса 987-0-5, которая характеризуется максимальным процентом снижения сухих веществ, минимальным значением по показателю выделения С02. Культивирование данной расы характеризуется образованием крупных дрожжевых клеток, содержащих максимальное количество клеток с гликогеном. Окончательный выбор расы дрожжей может быть сделан после проведения исследований по сбраживанию сусла. Аналогичные зависимости получены при использовании сухих дрожжей, задаваемых в сусло по массе.

Сравнивая данные метаболизма дрожжей Регтю1 при их культивировании по двум вариантам выявлена существенная разница, по сравнению с другими расами дрожжей, в накоплении клеток. При культивировании дрожжей Репшо1 в виде чистой культуры (Вариант 1) разница составляет более чем в 2 раза, а при использовании этих же дрожжей в виде сухих (Вариант 2) разница не превышает 30%. Вероятнее всего, это связано с разным составом и количеством активаторов в дрожжах, а именно с повышенным содержанием отдельных микроэлементов и аминокислот в дрожжах РегтюГ

В целом, проведенные эксперименты по сравнительному анализу сухих спиртовых дрожжей для дальнейшего применения их в технологии получения этанола из нового вида сырья, позволяют рекомендовать дрожжи Рсптпо1, с последующей проверкой эффективности их использования на стадии сбраживания.

Факторы, влияющие на динамику выделения диоксида углерода при сбраживании сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства

Применение нового вида сырья в любом производстве требует глубокого изучения процессов, происходящих на каждой стадии. В полной мере данный подход оправдан также при получении и сбраживании сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства. Изучаемые факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла, и интервалы их варьирования приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Изучаемые факторы и интервалы их варьирования

Название фактора Единица измерения параметра Интервал варьирования параметра

Раса дрожжей - -

Степень подкисления сусла РН 5,5-6,0 - 3,0-3,5

Норма внесения ГлС на стадии осахаривания ед. ГлС/г у.к.с. 2,0 - 8,0

Норма внесения дрожжей млн./cмJ сусла или мг/100 см сусла 5,0 - 20,0 50,0-100,0

Норма внесения ПС на стадии сбраживания ед. ПС/г у.к.с. 0,25 - 0,50

Процесс сбраживания сусла с использованием дрожжей XII, 987-0, 987-0-5

При изучении динамики выделения диоксида углерода при сбраживании опытных образцов сусла установлено, что среди трех рас дрожжей (первый рассмотренный фактор) лучшие результаты получены с использованием расы 987-0-5 (К). Раса XII характеризуется меньшей интенсивностью сбраживания и меньшим выделением С02 (на третьи сутки 8,1 г против 8,7 г/100 см3). Поэтому дальнейшие эксперименты проводились с использованием дрожжей расы 987-0-5.

При исследовании второго фактора установлено, что дополнительное подкисление сусла негативно влияет на сбраживание, снижается интенсивность сбраживания и абсолютное значение выделившегося С02, (на 0,7-0,8 г/100 см3 сусла).

Показано, что использование осахаривающего препарата с дозировкой 4,0-8,0 ед. ГлС/г (третий фактор) дает возможность сбродить сусло из пшеничного хлеба, но для завершения процесса требуется разное время. Так, при внесении 4,0 ед. ГлС/г длительность сбраживания составляет 72 часа, при дозировке 6,0-8,0 ед. ГлС/г - 54-60 ч.

Установлено, что увеличение нормы внесения дрожжей приводит к интенсификации процесса сбраживания. Дозировка меньше рекомендуемой для сбраживания сусла из традиционного сырья (10,0-12,0 млн./см3 сусла) не позволяет полностью сбродить сусло, полученное из возвратных отходов хлебопекарного производства (четвертый фактор). Увеличение нормы внесения дрожжей, напротив, дает возможность завершить сбраживание к 48 - 54 часам. За указанное время количество выделившегося С02 составляет 8,1-8,8 г/100г осахаренного сусла.

Последним изученным фактором было выявление влияния нормы внесения ферментных препаратов протеолитического действия (Нейтразы 0,8 Ь и Алкалазы 2,4 Ь ИО). Показано, что применение микробных протеаз позволяет не только интенсифицировать брожение, но и увеличить количество выделившегося С02, на 0,5 г/100г сусла. Лучшие результаты получены при использовании Алкалазы 2,4 Ь БО.

В целом из изученных факторов при сбраживании сусла дрожжами расы 987-0-5 наиболее значимыми (рисунок 2) явились: дозировка осахаривающего ферментного препарата (О!) и норма внесения спиртовых дрожжей (02).

987-0-5 от их нормы внесения и дозировки осахаривающего ферментного препарата

Процесс сбраживания сусла с использованием сухих спиртовых дрожжей

В последнее время, отечественные производители спирта получают все больше предложений от фирм-поставщиков сухих спиртовых дрожжей о переходе от обычных для предприятия схем дрожжегенерирования к применению предлагаемых ими продуктов. В качестве аргументов приводятся свойства сухих дрожжей, позитивно отличающиеся от обычных рас. Использование сухих дрожжей, кроме того позволяет предприятию упростить технологический процесс. Возможно отказаться от отдельного цеха - отделения дрожжегенерации, требующего высококвалифицированных специалистов-микробиологов.

В настоящей работе процесс сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства проводили с использованием трех рас сухих спиртовых дрожжей: Fermiol, Angel и Ethanol Red (первый фактор). Установлено, что лучшие результаты достигнуты с применением дрожжей Fermiol (К) (через 24 часа количество выделившегося С02 составляло 4,1 г против 2,5 и 0,7 г/100 г сусла для рас Ethanol Red и Angel соответственно). Скорее всего, данный факт связан с особенностями метаболизма разных рас сухих спиртовых дрожжей при сбраживании сусла из нового вида сырья. Поэтому дальнейшие исследования проводились с использованием дрожжей расы Fermiol.

Исследование влияния подкисления сусла при использовании сухих дрожжей (второй фактор) показало аналогичные расе 987-0-5 результаты. Однако установлено, что дрожжи Fermiol менее подвержены влиянию пониженных значений pH.

Установлено, что применение осахаривающего ферментного препарата (третий фактор) в дозировке 4,0 ед. ГлС/г (выбранной на основании анализа сусла) не позволяет полностью сбродить опытный образец за 72 часа, не смотря на превышение в нем содержания свободных Сахаров против контроля на 15-20 %. Данный факт, скорее всего, связан с повышенной массовой долей общих редуцирующих Сахаров в сусле из нового

вида сырья, а также с особенностями его углеводного состава. Выявлено, что дозировка глюкоамилазы для сбраживания опытного образца сусла должна составлять 8,0 ед. ГлС/г.

По результатам экспериментов выбрана и рекомендуемая норма внесения дрожжей Fermiol (четвертый фактор) - 100,0 мг/100 см3 сусла. Показано, что на первом этапе процесса при увеличении нормы дрожжей (150 мг) выделяется больше С02, однако в дальнейшем интенсивность сбраживания замедляется. Внесение 50,0 мг не позволяет полностью сбродить сусло.

Применение протеолитического ферментного препарата Алкалазы 2,4 L FG (пятый фактор) при сбраживании сусла сухими дрожжами Fermiol также как при использовании расы дрожжей 987-0-5 дало положительные результаты.

В целом из изученных факторов при сбраживании сусла сухими дрожжами Fermiol также как расы 987-0-5 наиболее значимыми (рисунок 3) явились: дозировка осахаривающего ферментного препарата (01) и норма внесения дрожжей (02).

Рисунок 3 — Интенсивность сбраживания сусла с использованием дрожжей Регтю1 от их нормы внесения и дозировки осахаривающего ферментного препарата

Сравнительный анализ данных, представленных на рисунках 2 и 3, показывает, что среди двух факторов при использовании расы 987-0-5 наибольшее влияние оказывает норма внесения дрожжей, а при использовании сухих дрожжей Репгпо1 - дозировка осахаривающего препарата.

Сравнительный анализ образцов зрелой бражки

На завершающем этапе работы были получены и проанализированы по показателям содержание спирта и действительный экстракт образцы зрелой бражки двух серий.

Серия 1. Дозировка осахаривающего ферментного препарата составляла 4,0; 6,0 и 8,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья. Норма задачи дрожжей 987-0-5 - 10,0 млн./см3 сусла, для дрожжей Реппю! - 100,0 мг/100 см3 сусла. Длительность сбраживания варьировалась от 48 до 72 часов с интервалом в 6 часов.

Серия 2. Дозировка осахаривающего ферментного препарата для всех образцов сусла составляла 6,0 ед. ГлС/г. Норма задачи дрожжей 987-0-5 варьировалась от 10,0 до

20,0 млн./см3, сухих спиртовых дрожжей изменялась от 50,0 до 150,0 мг/100 см3 сусла. Длительность сбраживания соответствовала Серии 1.

Данные, приведенные в таблице 12, показывают, что с увеличением дозировки осахаривающего ферментного препарата с 4,0 до 8,0 ед. ГлС /г крепость бражного дистиллята для образцов, сбраживаемых в течение 48 - 60 часов закономерно возрастала. Повышенной крепостью бражки характеризовались образцы с дозировкой осахаривающего препарата 8,0 ед. ГлС /г. Максимальная концентрация этанола (10,51% об.) выявлена для образца Серии 2, длительность сбраживания которого составляла 54 часа.

Таблица 12 - Влияние дозировки ферментного препарата осахаривающего действия, нормы внесения спиртовых дрожжей 987-0-5 и продолжительности сбраживания на

крепость зрелой бражки (раса 987-0-5)

Время, ч Крепость дистиллята, % об.

Дозировка осахаривающего препарата, ед. ГлС/г (Серия 1) Норма внесения дрс млн./см3 сусла (Cei жжей, эия 2)

4,0 6,0 8,0 10,0 15,0 20,0

48 9,43 9,84 10,09 9,84 10,01 10,13

54 9,58 9,91 10,17 9,91 10,18 10,51

60 9,71 9,93 10,12 9,93 10,21 10,47

66 9,88 9,86 10,15 9,86 10,23 10,46

72 9,87 9,90 10,11 9,90 10,17 10,42

Данные, характеризующие крепость бражного дистиллята позволили рассчитать

выход спирта (таблица 13). Применение в качестве сырья возвратных отходов хлебопекарного производства позволяет превысить значение выхода спирта из зерна пшеницы (66,4 дал), в лучшем варианте на 1,76 дал.

Таблица 13 - Влияние дозировки ферментного препарата осахаривающего действия, нормы внесения спиртовых дрожжей 987-0-5 и продолжительности сбраживания на

выход спирта из сырья

Время, ч Выход спирта, дал/т условного крахмала сырья

Дозировка ферм, препарата, ед. ГлС/г (Серия 1) Норма дрожже млн./см3 сусла (Се) й, эия 2)

4,0 6,0 8,0 10,0 15,0 20,0

48 61,2 63,8 65,5 63,8 64,9 65,7

54 62,1 64,3 66,0 64,3 66,0 68,2

60 63,0 64,4 65,0 64,4 66,2 67,9

66 64,1 64,0 65,8 64,0 66,4 67,8

72 64,0 64,2 65,6 64,2 66,0 67,6

Аналогичные эксперименты были проведены с использованием сухих дрожжей

расы Регтю1. Представленные в таблице 14 результаты, показывают, что выявленные ранее закономерности с использованием расы дрожжей 987-0-5 сохраняются, меняются только их численные значения. В целом, применение сухих дрожжей характеризуется

меньшим накоплением спирта. В лучшем варианте крепость дистиллята достигает 10,21 % об. (при использовании дрожжей 987-0-5 - 10,51 % об.)

Расчет выхода спирта показывает, что в случае использования для сбраживания сухих дрожжей Бетло! он достигает уровня контроля.

Таблица 14 - Влияние дозировки ферментного препарата осахаривающего действия и продолжительности сбраживания на крепость зрелой бражки (раса Реггшо!).

Время, ч Крепость дистиллята, % об.

Дозировка осахаривающего препарата, ед. ГлС/г (Серия 1) Норма внесения дрожжей, мг/100см3 сусла (Серия 2)

4,0 6,0 8,0 50,0 100,0 150,0

48 7,53 8,20 10,05 7,66 8,20 8,58

54 8,83 9,26 10,21 8,19 9,26 9,17

60 8,92 9,22 10,17 8,66 9,22 9,15

66 9,43 9,17 10,13 8,63 9,17 9,17

72 9,77 8,92 9,95 8,68 8,92 8,91

В настоящей работе впервые исследован состав бражки, полученной при сбраживании сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства, по содержанию основных летучих примесей. Установлено, что качественный состав примесей бражки в случае использования нового нетрадиционного вида сырья соответствует составу примесей бражки, полученной при переработке традиционного вида крахмалсодержащего сырья - пшеницы. Основными примесями являются: альдегиды (ацетальдегид), эфиры (метилацетат, этилацетат), высшие спирты (1-пропанол, изо-бутанол, изоамилол), метанол. Вместе с тем, применение в качестве сырья для производства этанола пшеничного хлеба влияет как на содержание отдельных групп примесей, так и на общее содержание их в образцах бражки.

Изученные в работе факторы также оказывают влияние на состав и содержание отдельных примесей (таблица15). Отмечено, что бражки из нового вида сырья характеризуются пониженным содержанием метанола (на 40-60%), изобутанола и изоамилола (в 1,5 - 2,0 раза) по сравнению с переработкой пшеницы.

Таблица 15 - Сравнительный анализ содержания примесей в зависимости от продолжительности брожения (раса 987-0-5)

Основные примеси, мг/дм3 Длительность сбраживания сусла, ч

48 54 60 66 72

Ацетальдегид 695,0 832,1 881,2 904,0 964,3

Метилацетат 136,0 100,0 99,0 80,9 119,1

Этилацетат 134,0 123,1 116,1 126,3 163,4

Метанол, % об. 0,0020 0,0021 0,0019 0,0023 0,0024

1-Пропанол 232,7 230,7 242,9 214,7 239,8

Изобутанол 417,2 394,6 396,4 361,7 357,4

Изоамилол 1658,2 1610,9 1668,6 1675,4 1643,3

Суммарное количество примесей 3273,4 3291,4 3304,2 3363,0 3487,3

Сравнение опытных образцов показало, что увеличение длительности брожения с 48 до 72 часов повышает содержание в бражке ацетальдегида почти в 1,4 раза, приводит к увеличению примерно на 20% содержания метанола. Практически не меняется концентрация высших спиртов и сложных эфиров, наблюдается перераспределение между метилацетатом и этилацетатом.

Установлено (таблица 16), что увеличение нормы внесения дрожжей повышает содержание в бражке почти всех изученных примесей кроме незначительного снижения концентрации ацетальдегида, что совпадает с результатами других исследований при анализе бражек из традиционных видов сырья.

Таблица 16 - Сравнительный анализ содержания примесей в зависимости от нормы внесения дрожжей (раса 987-0-5) при 54 часовом брожении

Основные примеси, мг/дм3 Норма внесения дрожжей, млн./см3

10,0 15,0 20,0

Ацетальдегид 832,1 798,6 741,5

Метил ацетат 100,0 107,9 112,0

Этил ацетат 123,1 128,6 140,3

Метанол,% об. 0,0021 0,0030 0,0036

1-Пропанол 230,7 245,0 256,5

Изо-Бутанол 394,6 388,5 377,3

Изоамилол 1610,9 1637,2 1715,5

Суммарное количество примесей 3291,4 3305,8 3343,1

Анализ образцов бражки, полученной с использованием сухих дрожжей Ь"сгтю1 и их сравнение с аналогичными образцами при сбраживании дрожжами расы 987-0-5 показал, что основные закономерности по влиянию длительности сбраживания сусла и норм внесения дрожжей на содержание отдельных групп летучих примесей сохраняются независимо от используемой расы. Также установлено, что сбраживание сусла сухими дрожжами расы Реггшо1 позволяет получать бражку с меньшим содержанием вредных летучих примесей (2548,2 - 2897,2 мг/дм3 против 3273,4-3487,3 мг/дм3) по сравнению с пробами, полученными с использованием дрожжей расы 987-0-5. Норма внесения осахаривающего ферментного препарата при использовании сухих дрожжей Реггшо! оказывает существенное влияние, как на общее содержание примесей, так и на накопление отдельных групп. Повышенная норма глюкоамилазы приводит к увеличению суммарного содержания примесей с 2677,2 до 2897,2 мг/дм3; количество ацетальдегида возрастает с 582,4 до 764,6 мг/дм3; содержание этилацетата снижается со 105,0 до 69,6 мг/дм3.

Оптимизация процесса сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства

Для выявления оптимальных параметров процесса сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства, экспериментальные данные были математически обработаны с использованием метода латинских прямоугольников.

Оптимизация проводилась отдельно для случаев использования засевных дрожжей расы 987-0-5 и сухих спиртовых дрожжей расы Рсгтю1. При этом в качестве варьируемых факторов для дрожжей расы 987-0-5 использовали время сбраживания и норму задачи дрожжевых клеток, а для дрожжей расы Репшо1 - время сбраживания и дозировку осахаривающего препарата (таблица 17).

Таблица 17 - Влияние технологических параметров на процесс сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства

Спиртовые дрожжи расы 987-0-5

1 Время сбраживания, ч. 54 60 66

Эффект 0,005 0,002 -0,007

2 Норма задачи дрожжевых клеток, млн./см3 10,0 15,0 20,0

Эффект -0,010 0,001 0,009

Сухие спиртовые дрожжи Регтю!

1 Время сбраживания, ч. 54 60 66

Эффект 0,004 0,003 -0,007

2 Дозировка фермента, ед. ГлС/г у.к.с. 4,0 6,0 8,0

Эффект -0,013 0,006 0,007

Установлено, что оптимальными значениями для расы 987-0-5 являются: время сбраживания - 54 часа, норма задачи дрожжевых клеток - 20,0 млн./см3 сусла. Оптимальные значения для расы Регтю1: время сбраживания - 54 часа и норма дозировки ферментного препарата - 8,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья.

Таким образом, разработана технология этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства. Данные таблицы 17, в которых приводится характеристика показателей качества зрелой бражки контрольного (пшеница) и опытных образцов (Опыт 1 - пшеничный хлеб, Опыт 2 - пшеничный хлеб, подвергнутый сушке), показывают, что повышается выход спирта, снижается суммарное содержание летучих примесей в бражке более чем на 40%.

Таблица 16 - Сравнительная характеристика показателей качества зрелой бражки

Показатели бражки Образцы по вариантам

Контроль Опыт 1 Опыт 2

Крепость дистиллята, % об. 8,20 10,47 10,36

Суммарное содержание примесей, мг/дм3 безводного спирта 5784,7 3343,1 3415,6

Выход спирта из 1 т условного крахмала, дал 66,2 67,9 67,8

Выход спирта из 1 т сырья, дал 34,3 32,4 47,1

ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных исследований биохимического состава возвратных отходов хлебопекарного производства выявлены положительные отличия нового вида сырья: повышенное содержание крахмала и его большая доступность к гидролизу, меньшее количество некрахмальных полисахаридов, в 5 раз большее содержание высокомолекулярных декстринов и свободных Сахаров.

2. Выявлены существенные отличия в микробиологических характеристиках нового и традиционного вида сырья, в частности, меньшее содержание кислотообразующих микроорганизмов в пшеничном хлебе.

3. Определены факторы, влияющие на процесс получения осахаренного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства. Показано, что первая пауза процесса водно-тепловой обработки должна проводиться при повышенной температуре - 70 °С. Рекомендован ферментный препарат разжижающего действия - Ликвамил 1200 и его дозировка - 0,5 ед. АС/г условного крахмала сырья. Выявлены режимы получения сусла, обеспечивающие снижение общей продолжительности на стадии водно-тепловой и ферментативной обработки с 3,5-ной до 2-х часов.

4. Установлены различия в аминокислотном и минеральном составе водных экстрактов сухих дрожжей, что подтверждает факт возможного внесения активаторов на стадии производства дрожжей.

5. Выявлены существенные отличия в составе сусла, полученного из традиционного и нового вида сырья, в том числе по содержанию отдельных минеральных элементов, позволившие обосновать отличия при культивировании отдельных рас спиртовых дрожжей.

6. Определено влияние различных факторов на процесс сбраживания сусла, полученного из возвратных отходов хлебопекарного производства. Выбраны расы спиртовых дрожжей - 987-0-5 и Fermiol. Рекомендовано внесение на стадию сбраживания ферментного препарата Алкалаза 2,4 L FG с экзопротеиназной активностью с дозировкой

0.25.ед. ПС/г сырья.

7. Исследован состав зрелой бражки по содержанию этилового спирта и вредных летучих примесей. Проведена оптимизация сбраживания сусла, установлены оптимальные параметры.

8. Разработана технология и аппаратурно-технологическая схема производства этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства.

9. Осуществлены опытно-промышленные испытания новой технологии в условиях ГУП Московский опытный завод Россельхозакадемии. Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции для завода мощностью 3000 дал/сут составила 10,65 млн. руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Шабурова, Л.Н. Микробиологические характеристики сырья спиртового производства [Текст] / JI.H. Шабурова, М.Э. Сидякин, Л.Н. Крикунова // Производство спирта и ликероводочных изделий. -2010. -№ 3. -С. 24-26. (лично соискателем 0,04 п.л.).

2. Сидякин, М.Э. Новое нетрадиционное сырье для спиртовой отрасли [Текст] / М.Э. Сидякин, Л.Н. Крикунова // Производство спирта и ликероводочных изделий. -2011. - № 1. -С. 10-12. (лично соискателем 0,08 п.л.).

3. Сидякин, М.Э. К вопросу применения сухих дрожжей в технологии этанола из крахмалсодержащего сырья [Текст] / М.Э. Сидякин, JI.H. Крикунова, Л.Н. Шабурова, М.В. Гернет// Хранение и переработка сельхозсырья. -2011. -№ 10. -С. 30-33.

(лично соискателем 0,05 п л.).

4. Сидякин, М.Э. Получение этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства (Часть 1: Получение сусла) [Текст] / М.Э. Сидякин, Л.Н. Крикунова // Хранение и переработка сельхозсырья. -2012. -№ 12. -С. 33-37.

(лично соискателем 0,125 п.л.).

5. Сидякин, М.Э. Технология этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства (Часть 2: Сбраживание сусла) [Текст] / М.Э. Сидякин, Л.Н. Крикунова // Хранение и переработка сельхозсырья. -2013. -№ 1. -С. 54-57.

(лично соискателем 0,125 п л.).

6. Сидякин, М.Э. Технология этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства (Часть 3: Характеристика бражки) [Текст] / М.Э. Сидякин, Л.Н. Крикунова // Хранение и переработка сельхозсырья. -2013. -№ 2. -С. 47-50.

(лично соискателем 0,1 п л.).

Патент РФ:

1. Крикунова, Л.Н. Способ производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья [Текст] / Л.Н. Крикунова, М.Э. Сидякин, В.Я. Черных, О.С. Журба, С.Б. Косяк // Патент РФ № 2473693. Публ. 27.01.2013. Бюл. № 3. (лично соискателем 0,13 п л.).

Материалы конференций:

1. Устинов, A.C. Возвратные отходы хлебопекарного производства - перспективное сырье для спиртовой отрасли / A.C. Устинов, М.Э. Сндякин, Л.Н. Крикунова // Сборник тезисов докладов XI международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», ч. 2, -Казань. -2010. -С. 24. (лично соискателем 0,02 п.л.).

2. Сидякин, М.Э. Возвратные отходы хлебопекарного производства - новое нетрадиционное сырье для производства этилового спирта / М.Э. Сидякин, Л.Н. Крикунова // Материалы 7-й международной научно-практической конференции «Современные технологии и оборудование для хлебопекарного и кондитерского производства» -Минск. -2011. -С. 38-45. (лично соискателем 0,25 п.л ).

3. Сидякин М.Э. Процесс подбора рас сухих дрожжей для сбраживания сусла из крахмалсодержащего сырья в технологии этилового спирта / М.Э. Сидякнн, E.H. Пакшина // Сборник материалов молодых ученых и специалистов по направлению «Технологии и производственный менеджмент». -Москва. -2011. -С. 318-322. (лично соискателем 0,2 п.л.).

Подписано в печать 28.02.2014. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 027

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

У

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

СИДЯКИН МАКСИМ ЭДУ.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ

ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Л.Н. Крикунова

Москва - 2014

Содержание

Введение 5

1 Обзор литературы 9

1.1 Технико-экономические аспекты производства пищевого этилового спирта на отечественных предприятиях 9

1.2 Сравнительная характеристика биохимического состава и микробиологических характеристик традиционных и нетрадиционного видов сырья 11

1.2.1 Углеводно-белковый состав пшеничного хлеба 14

1.2.2 Особенности микробиоты зернового сырья и пшеничного хлеба 16

1.3 Отходы хлебопекарного производства и традиционные пути их использования 19

1.4 Технологические стадии переработки крахмалсодержащего

сырья 24

1.4.1 Влияние вида сырья на затраты при получении помола 24

1.4.2 Особенности получения осахаренного сусла из различных видов крахмалсодержащего сырья 26

1.4.3 Факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла из крахмалсодержащего сырья 28

1.4.4 Вредные примеси зрелой бражки и пути их образования 30

1.5 Заключение по обзору литературы 32

2 Экспериментальная часть 34

2.1 Материалы и методы исследований 34

2.1.1 Материалы 34

2.1.2 Методы исследований 35

2.1.2.1 Методы определения биохимических показателей сырья 35

2.1.2.2 Микробиологический контроль 37

2.1.2.3 Анализ полупродуктов спиртового производства (замеса, разваренной массы, сусла, бражки) 38

2.2 Результаты исследований и их обсуждение 42

2.2.1 Новое нетрадиционное сырье для спиртовой отрасли 42

2.2.1.1 Биохимический состав возвратных отходов хлебопекарного производства 42

2.2.1.2 Микробиологические характеристики традиционного и нового

вида сырья для производства этанола 48

2.2.2 Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из пшеничного хлеба 53

2.2.2.1 Сравнительная характеристика образцов сусла из традиционного

и нетрадиционного видов сырья 53

2.2.2.2 Изучение реологического поведения замесов из пшеничного

хлеба 55

2.2.2.3 Подбор и определение норм внесения амилолитических ферментных препаратов 58

2.2.2.4 Выбор режима водно-тепловой и ферментативной обработки

сырья 61

2.2.3 Изучение процесса сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства 65

2.2.3.1 Получение и сравнительная характеристика образцов сусла, предназначенных для выбора дрожжей 65

2.2.3.2 Исследование минерального и аминокислотного состава сухих спиртовых дрожжей 69

2.2.3.3 Исследование процесса культивирования дрожжей 71

2.2.3.4 Факторы, влияющие на динамику выделения диоксида углерода при сбраживании сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства 75

2.2.3.4.1 Изучение процесса с использованием дрожжей XII, 987-0, 9870-5 77

2.2.3.4.2 Изучение процесса с использованием сухих спиртовых дрожжей 86

2.2.3.5 Сравнительный анализ образцов зрелой бражки 94

2.2.3.6 Сравнительный анализ содержания вредных летучих примесей в 99

образцах зрелой бражки 2.2.3.7 Оптимизация процесса сбраживания сусла из возвратных

отходов хлебопекарного производства 103

2.2.4 Разработка аппаратурно-технологической схемы производства

этанола на основе получения и сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства 111

3 Выводы 116

4 Список использованных источников 118 Приложения

Введение

Актуальность темы.

Решение проблем, связанных с экологической обстановкой, и конечная продукция, стоимость и качество которой полностью соответствует требованиям потребителей и определяет ее конкурентоспособность, являются неотъемлемыми критериями успешной работы предприятия в условиях жесткой рыночной конкуренции.

Оценка ситуации, складывающейся в спиртовой отрасли России, показывает, что основным сырьем при производстве этанола являются различные виды зерновых культур, лидирующее место при этом отводится пшенице и ржи. Зерновые ресурсы относятся к широко востребованному многофункциональному сырью, что приводит к конкурентной борьбе с другими потребителями, вследствие чего спиртовые заводы могут испытывать трудности с поставками сырья. В целом спиртовая отрасль характеризуется низкой рентабельностью, значительной энерго- и материалоемкостью и серьезной сырьевой зависимостью. Данный факт подтверждает перспективность расширения сырьевой базы отрасли за счет вовлечения в производство нетрадиционных видов сырья, что позволяет нивелировать риски при закупке сырья.

Одним из новых перспективных видов сырья могут быть возвратные отходы хлебопекарной отрасли, в частности пшеничный хлеб, нереализованный в торговой сети и брак, образующийся на хлебозаводе. Переработка данного сырья в этанол не только может расширить сырьевую базу спиртовых предприятий, но и позволит решить проблему утилизации отходов хлебопекарной отрасли.

Возвратные отходы хлебопекарного производства, так же как и традиционное зерновое сырье, относятся к крахмалсодержащему. Однако, биохимический состав данного вида сырья существенно отличается в связи с тем, что компоненты пшеничной муки подвергаются глубоким изменениям в ходе технологических процессов производства хлеба. Специалистам спиртовой отрасли известно, что выход и качественные характеристики этанола зависят от исходных свойств сырья,

определяются способами и режимами получения и сбраживания сусла. Исходя из этого, производство этанола из нового вида сырья требует проведения исследований на отдельных этапах его переработки.

Основываясь на вышеперечисленном, можно заключить, что исследования, направленные на разработку научных и практических основ создания новой технологии этилового спирта из возвратных отходов хлебопекарного производства являются актуальными и перспективными.

Цели и задачи исследований.

Цель данной работы - разработка технологии этанола на основе проведения комплексных исследований изучения свойств нового для спиртовой отрасли вида сырья, процессов получения из нетрадиционного сырья сусла и его сбраживания с учетом особенностей развития спиртовых дрожжей.

В соответствии с обозначенной целью были поставлены следующие задачи:

• провести комплексные исследования по изучению биохимических и микробиологических характеристик нового вида сырья - возвратных отходов хлебопекарного производства, по результатам которых выявить перспективность использования их в качестве сырья для производства этилового спирта;

• разработать режимы и технологические параметры водно-тепловой и ферментативной обработки нового вида сырья;

• изучить влияние состава сусла, полученного из нового и традиционного вида сырья, на развитие спиртовых дрожжей;

• обосновать выбор расы спиртовых дрожжей, используемой в виде чистой культуры и сухих, для сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства;

• определить факторы, оказывающие влияние на сбраживание сусла; провести сравнительный анализ образцов зрелой бражки на содержание этилового спирта и летучих примесей;

• провести оптимизацию процесса сбраживания осахаренного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства;

• разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Научная новизна.

Выявлены существенные отличия в углеводном и белковом комплексах, а также реологических и микробиологических характеристиках нового вида сырья в сравнении с традиционным зерновым сырьем, положенные в основу научного обоснования режимных параметров получения сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Установлена взаимосвязь показателей качества осахаренного сусла и режимных параметров водно-тепловой и ферментативной обработки нового вида сырья.

На основании проведения модельных опытов, впервые выявлены различия в минеральном составе сусла, полученного из традиционного и нового вида сырья, позволившие обосновать влияние состава сусла на развитие спиртовых дрожжей.

Получены новые научные данные о минеральном составе и содержании свободных аминокислот в водорастворимой фракции трех рас сухих спиртовых дрожжей, научно обосновывающие эффективность применения дрожжей расы Рептпо1.

Выявлена корреляционная зависимость между биохимическими показателями сусла и основными факторами, влияющими на процесс сбраживания, на основании которой рекомендовано использовать ферментный препарат протеолитического действия Алкалазу 2,4 Ь Бв и расы дрожжей: 987-05 и сухие Регтю1.

Впервые исследован состав бражки, полученной при сбраживании сусла из нового вида сырья, по содержанию этилового спирта и вредных летучих примесей. Проведена оптимизация технологического процесса.

Практическая значимость.

Экономически обоснована перспективность использования для производства этилового спирта нового нетрадиционного вида сырья - возвратных отходов

хлебопекарного производства. Преимуществами данного вида сырья по сравнению с традиционными являются:

- повышенное на 7-13 % содержание основного ценного компонента -крахмала и его большая доступность к ферментативному гидролизу;

- меньшее содержание кислотообразующих микроорганизмов, ответственных за нарастание кислотности сбраживаемой среды;

реологические характеристики, позволяющие исключить из технологического процесса стадию дробления сырья.

Разработана новая технология этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства, позволяющая упростить технологический этап производства сусла, исключив стадии получения помола, обработки сырья при температуре 45-50 °С, сократив продолжительность на стадии получения сусла с 4 до 2,5 часов, снизить норму внесения разжижающего ферментного препарата с 1,0-2,0 ед. АС до 0,5 ед. АС/г условного крахмала сырья; интенсифицировать процесс сбраживания, повысить на 1,0 - 1,5 дал выход спирта из тонны условного крахмала. Технические решения, положенные в основу разработанной технологии, защищены патентом РФ № 2473693.

Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии в условиях ГУП Московский опытный завод Россельхозакадемии.

Разработан и утвержден опытно-промышленный регламент получения спирта из возвратных отходов хлебопекарного производства ОПР 01-075427092012.

По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по разработанному варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут. составила 10,65 млн. руб.

1 Обзор литературы 1.1 Технико-экономические аспекты производства пищевого этилового спирта на отечественных предприятиях

Современное состояние спиртовой отрасли Российской Федерации характеризуется сильной зависимостью не только от регуляционных процессов, проводимых государственными органами и заключающихся в надзоре и контроле за качеством производимого этилового спирта, соответствием современным нормам производственной и экологической безопасности предприятий и многим другим параметрам, но и от конъюнктурных изменений рынков сырьевых и энергетических ресурсов, ситуации, связанной с реализацией готовой продукции предприятий, а также многих других факторов.

Структура основных производственных затрат при промышленном получении этанола, несмотря на постоянное колебание цен на сырье и энергоносители остается относительно стабильной. Наибольшая часть затрат в процентном выражении приходится на сырье и составляет около 55-65% [58]. Традиционно зерно занимает основную долю сырьевых ресурсов при производстве этанола, как в Российской Федерации, так и рубежом [131, 150, 155]. В России зерновые культуры занимают порядка 57% всей посевной площади сельхозкультур. В том числе, треть этих площадей приходится на озимые зерновые культуры и две трети - на яровые.

В 2012 году по данным материалов Федеральной службы государственной статистики урожай зерновых культур в Российской Федерации составил 70,676 млн. тонн, показав снижение на 24,7% по сравнению с 2011 годом. Рассматривая данную ситуацию в разрезе, следует отметить снижение урожая по всем культурам за исключением кукурузы, ее производство возросло на 18 % по сравнению с 2011 годом и составило 8,21 миллионов тонн. Так урожай пшеницы в 2012 году снизился на 32,9 % до 37,72 миллионов тонн, ячменя - на 17,6 % до 13,952 миллионов тонн. Производство ржи сократилось на 28,2 % до 2,13 миллионов тонн, овса - на 24,5 % до 4,027 миллионов тонн, риса - на 0,3 % до

1,052 миллионов тонн, гречихи на 0,5 % до 796,6 тысяч тонн, тритикале - на 11,2 % до 464,7 тысяч тонн, а проса - на 62 % до 333,6 тысяч тонн [95]. Исходя из того, что основным сырьем для отечественных спиртзаводов традиционно служит зерно пшеницы, ржи и ячменя, можно заключить о сокращении потенциальной сырьевой базы на текущий период более чем на 26 %.

Одним из важных параметров, оказывающих регулирующее воздействие на внутренний зерновой рынок, является цена на зерно. За последние годы следует отметить существенные колебания внутренних цен на зерновые ресурсы: снижение до значений, приводящих к убыточности, или достижение мировых цен. Так за второе полугодие 2012 года колебание цен на пшеницу происходило в диапазоне приблизительно от 7 до 12 тысяч рублей за тонну с тенденцией к постоянному росту.

Зерновые ресурсы относятся к многофункциональному сырью, в виду чего, производители этанола довольно часто испытывают трудности со снабжением из-за конкуренции с другими потребителями в ценовой политике. Недостаточная обеспеченность кондиционным основным сырьем, в некоторых случаях вынуждает спиртзаводы перерабатывать дефектное зерно, невостребованное другими потребителями [28]. Однако данный факт, приводит к снижению производительности, снижению качества этилового спирта и увеличению технологических затрат для выработки конечного продукта, соответствующего государственным стандартам.

Современная действительность рыночной экономики, характеризующаяся жесткой конкуренцией, предопределяет успешную работу предприятий только при выработке продукции, удовлетворяющей требования потребителей по двум пунктам: качество и цена, напрямую зависящая от себестоимости продукта. Несоответствие даже одному из них лишает ее конкурентоспособности, а следовательно приводит и к снижению экономических результатов предприятия.

Один из путей повышения рентабельности производства этилового спирта и снижения зависимости предприятий от колебаний, затрагивающих зерновые ресурсы, заключается в поиске альтернативных сырьевых ресурсов. Одним из

новых перспективных видов сырья в соответствие с его биохимическим составом могут быть возвратные отходы хлебопекарной отрасли - пшеничный хлеб, не реализованный в торговой сети или брак, образующийся на хлебозаводах.

1.2 Сравнительная характеристика биохимического состава и микробиологических характеристик традиционных и нетрадиционного

видов сырья

Основное крахмалсодержащее сырье спиртового производства в настоящее время представлено различными видами зерна, преобладающими культурами являются пшеница, рожь и ячмень. Морфологическое строение и состав зерна злаковых культур, исследовавшиеся в течение долгого времени, являются хорошо изученными.

Установлено, что зерновка различных видов злаковых принципиально одинаково устроена и включает три основные части: зародыш, эндосперм и оболочки. Зерно ячменя, помимо вышеуказанного, содержит цветочные пленки, в виду чего относится к пленчатым культурам, а рожь и пшеница - к голозерным.

Эндосперм, сосредотачивающий в себе основное количество крахмала зерна и доля которого составляет 70-80% от массы зерновки, представляет наибольшую ценность для спиртового производства [131]. Содержание клетчатки, гемицеллюлоз и зольных элементов в нем минимально, по причине особенностей строения. Ткани эндосперма в основном построены тонкостенными клетками. Напротив, оболочки и зародыш зерна, характеризуются повышенным содержанием некрахмальных полисахаридов, белков и липидов. Эти химические соединения с позиции классической технологии этанола относятся к балластным веществам, так как не дают повышения выхода этанола из 1 единицы сырья, а наоборот, могут привести к снижению этого показателя и ухудшению качественных характеристик этилового спирта [66, 67, 152].

В настоящее время в технологии этанола главной сбраживаемой составляющей зернового сырья является крахмал, изучению которого посвящено большое количество работ [7, 8, 19, 81, 139, 178].

Крахмал, сосредоточенный в эндосперме, находится в нем в виде крахмальных гранул, определенной фо