автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологии этилового спирта из экструдированной пшеницы

На правах рукописи

НАЧЕТОВА МАРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ПШЕНИЦЫ

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С <

I I , '„1 ¿.и К

Санкт-Петербург 2014

005547860

Работа выполнена на кафедре пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья Института холода и биотехнологии ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель: Баракова Надежда Васильевна

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Агафонов Геннадий Вячеславович

доктор технических наук, профессор Воронежский государственный университет инженерных технологий

Черныш Валентина Генриховна кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургский институт управления и пищевых технологий

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный технологический институт (технический университет)»

Защита диссертации состоится » _ 2014 г.

в / У часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, тел./факс 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « •/Р» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Колодязная Валентина Степановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важнейших направлений развития спиртовой промышленности на сегодняшний день является совершенствование технологии этилового спирта, направленное на уменьшение Потребления тепло- и энергоресурсов за счёт снижения температуры водно-тепловой обработки заме'сов и увеличение производительности технологического оборудования за счет повышения концентрации перерабатываемых сред.

Температурные параметры водно-тепловой обработки замесов зависят от степени механической деструкции зернового сырья. Эффективным способом изменения структуры зерна является экструзия, которая обеспечивает деструкцию биополимеров сырья за счет одновременного воздействия механического давления, тепла и влаги, что также позволит решить проблему микробиологической чистоты производственных среди перерабатывать фуражное зерно.

Пшеница - наиболее используемое в спиртовой промышленности сырье, в связи с этим большой интерес вызывает влияние экструзионной обработки именно на эту культуру.

Экструзионная обработка сырья приводит к молекулярной дезорганизации молекул крахмала, что впоследствии отражается на такой его важной характеристике, как температура клейстеризации, которая и определяет температурные режимы проведения водно-тепловой обработки замесов.

При переработке сред повышенной концентрации на стадии клейстеризации крахмала значительно увеличивается вязкость зерновых замесов, что в дальнейшем влияет на качественные показатели получаемых гидролизатов.

Для снижения вязкости замесов из ячменя, пшеницы и ржи в работах Н. В. Бараковой, Л. Н. Крикуновой, Л. В. Римаревой была показана эффективность применения комплекса ферментных препаратов, содержащих а-амилазу, целлюлазу, ксиланазу и р-глюканазу. Применение ферментных препаратов комплексного действия может быть эффективным и при переработке экструдированного сырья.

Повышение концентрации перерабатываемых сред влияет не только на вязкость замесов, но и на метаболизм дрожжевых клеток, что особенно важно при работе с сухими дрожжами, которые отличаются повышенной проницаемостью мембран, и это необходимо учитывать при разработке режима их реактивации.

При сбраживании сусла повышенной концентрации для поддержания высокой бродильной активности дрожжей необходимо обеспечить

сбраживаемую среду достаточным количеством азотистого питания на протяжении всего процесса брожения.

В работах Л.В. Римаревой, М.А. Бушина, Т.М. Тананейко показана эффективность обогащения питательной среды свободными аминокислотами за счет применения протеолитических ферментных препаратов на примере таких зерновых культур, как пшеница и рожь. Научный и практический интерес представляет изучение влияния протеолиза и на экструдированное сырьё.

Экструзионная обработка сырья и применение комплекса ферментных препаратов целлюлолитического и протеолитического действия при переработке сред повышенных концентраций позволит снизить выход отходов спиртового производства и повлиять на качественные показатели барды, утилизация которой является актуальной проблемой для спиртовой промышленности.

Возможности, которые открывает экструзия, делает разработку технологии производства спирта из экстурдированного сырья актуальной задачей.

Цель работы. Исследовать влияние экструзии пшеницы на технологические параметры водно-тепловой обработки замесов и разработать технологию этилового спирта из экструдированной пшеницы.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

- исследовать влияние температурных режимов экструзионной обработки пшеницы на структурно-механические свойства сырья;

- исследовать эффективность применения экструзионной обработки пшеницы для получения этилового спирта;

- исследовать влияние экструзионной обработки пшеницы на параметры клейстеризации крахмала;

- разработать режим проведения водно-тепловой и ферментативной обработки замесов повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- разработать режим реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- исследовать влияние ферментного препарата протеолитического действия на параметры сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- разработать техническую документацию на производство этилового спирта из экструдированной пшеницы.

Научная новизна работы:

- установлено, что повышение температуры экструзионной обработки сырья увеличивает количество мелкодисперсной фракции в помоле

экструдированной пшеницы;

- показано, что применение экструзионной обработки пшеницы позволяет получать осахаренное сусло и зрелую бражку с более высокими качественными показателями по сравнению с применением неэкструдированной пшеницы;

- доказано отсутствие стадии клейстеризации крахмала в замесе из экструдированной пшеницы;

- установлена концентрация среды для реактивации сухих спиртовых дрожжей, обеспечивающая максимальную бродильную активность дрожжей при сбраживании сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- показано, что внесение ферментного препарата протеолитического действия на стадии брожения приводит к сокращению сроков сбраживания, увеличению выхода спирта и снижению содержания летучих примесей спирта в бражных дистиллятах.

Практическая значимость:

Разработаны режимы: - водно-тепловой и ферментативной обработки замесов из экструдированной пшеницы;

- реактивации сухих спиртовых дрожжей на сусле из экструдированной пшеницы;

- сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы с применением протеолитического ферментного препарата.

Разработана технологическая инструкция на производство этилового спирта из экструдированной пшеницы.

Проведены испытания на спиртовом заводе ООО «ИТАР» (г. Калининград).

По результатам проведения опытно-промышленных испытаний установлено, что экономический эффект от внедрения разработанной технологии спирта из экструдированной пшеницы на спиртовом заводе мощностью 1 ООО дал/сутки составит 6,2 млн руб. в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012); на ХП1 научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013); на II Всероссийском конгрессе молодых ученых «Биотехнологии и ресурсосберегающие инженерные системы» (Санкт-Петербург, 2013); на III Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений» (Воронеж, 2013); на VI Международной научно-технической конференции

«Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2013).

Личный вклад диссертанта. Проанализирована и обобщена научная информация по проблеме, связанной с темой диссертации, обоснован выбор объектов и методов исследования, проведены эксперименты, проведена математическая обработка опытных данных и обобщены полученные результаты, разработана технология и техническая документация на производство этилового спирта из экструдированной пшеницы.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- влияние температурных режимов экструзионной обработки пшеницы на структурно-механические свойства сырья;

- влияние экструзионной обработки пшеницы на протекание основных процессов в технологии спирта;

- обоснование выбора режима водно-тепловой и ферментативной обработки замесов повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- обоснование выбора режима реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- обоснование выбора режима сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы.

- технология этилового спирта из экструдированной пшеницы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающей 113 источников, из них 31 -иностранных. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 14 иллюстраций и 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы, поставлены цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В обзоре литературы проанализированы состояние проблемы производства спирта из зернового сырья и перспективность применения экструзионной обработки сырья в спиртовой промышленности.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования служила неэкструдированная и экструдированная пшеница урожая 2011-2012 гг.

Для проведения экспериментов использовали ферментные препараты фирмы ERBSLOEH: Дистицим БА-Т Специал амилолитического действия, Дистицим GL целлюлолитического действия, Дистицим АГ осахаривающего действия и Дистицим Протацид Экстра протеолитического действия.

Для сбраживания сусла использовали дрожжи спиртовые сухие «Fermiol» производства «DSM Food Specialties Beverage Ingredients».

Для анализа сырья и полуфабрикатов использовали стандартные методики, применяемые в спиртовой промышленности.

Гранулометрический анализ помолов проводили на лазерном анализаторе размеров частиц CAMSIZER XT. Динамическую вязкость замесов определяли на ротационном вискозиметре RHEOTEST RN 4.1 с использованием шпинделя S1 при скорости сдвига 100 с"1. Концентрации летучих примесей, сопутствующих этиловому спирту, определяли на хроматографе «Кристалл-2000М».

Обработку полученных экспериментальных данных осуществляли методом математической статистики с нахождением доверительного интервала при доверительной вероятности 0,95. Обработку результатов исследований проводили с использованием программ Mathcad, Curve Expert, Microsoft Excel.

Исследование влияния температурных режимов экструзионной обработки пшеницы на структурно-механические свойства экструдатов

Исследование текстуры образцов пшеницы, экструдированной при температурах 110, 150 и 190 °С, показало что чем выше температура экструзионной обработки сырья, тем более глубокие изменения происходят в его структуре и соответственно наибольшей пористостью, наименьшей толщиной перегородок и твердостью обладает образец пшеницы, экструдированной при температуре 190 °С.

Влияние изменения структурно-прочностных свойств сырья при разных температурных режимах экструзии на степень измельчения сырья оценивали по гранулометрическому составу помолов.

В помоле неэкструдированной пшеницы доля частиц с размером менее 1000 мкм (1 мм) составляет 80%, в то время как для помолов экструдированной пшеницы этот показатель находится в диапазоне 9799 %.

Из диаграммы распределения размеров частиц в диапазоне от 0 до 1000 мкм (рис. 1) видно, что наиболее тонкий помол получен в результате измельчения пшеницы, экструдированной при температуре 190 °С, в котором большая часть частиц - 77 % - имеет размер менее 250 мкм, в то время как в помолах пшеницы, экструдированной при температурах 110 °С и 150 °С доля частиц такого размера - 67 и 68 % соответственно, - а для неэкструдированной пшеницы этот показатель равен 27 %.

На основании проведенных исследований установлено, что наибольшие изменения структурно-механических свойств, которые играют важную роль для технологии производства спирта, происходят в результате экструзионной обработки пшеницы при температуре 190 °С.

Нсэкструднровзнная пшеница: Пшеница, экстрагированная при температуре:^ Л5Р°С

& & ' / Г

Размер частиц, мкм

Рисунок 1 - Диаграмма распределения размеров частиц в диапазоне от 0 до

1000мкм

Исследование эффективности применения экструзионной обработки пшеницы для получения этилового спирта

Для исследования эффективности применения экструзионной обработки сырья для получения спирта проводили водно-тепловую обработку замесов из неэкструдированной и экструдированной при 190 °С пшеницы по механико-ферментативной схеме с гидромодулем 1:3.

Динамика накопления сухих веществ в зерновых гидролизатах представлена на рис. 2.

§12 I

Г ■г

А '1

1

/

/

/ 1 - неэь'струзпрованняя пшеница 2 - экарудировйПная пшеница

/

75 100 125 150 175 200 225 250 Время, мнн.

Рисунок 2 - Динамика накопления сухих веществ в зерновых гидролизатах За первые 30 минут водно-тепловой обработки при 50 °С в гиролизате из экструдированной пшеницы накапливается 95 % от общего количества сухих веществ. В гидролизате из неэкструдированной пшеницы такое же количество сухих веществ накапливается лишь через 150 минут при повышении температуры обработки до 90 "С.

По результатам анализа образцов полученного осахаренного сусла

(табл. 1) видно, что в осахаренном сусле из экструдированной пшеницы содержится на 7,6 % больше растворенных сухих веществ и на 50 % больше аминного азота по сравнению с суслом из неэкструдированной пшеницы.

Таблица 1 - Показатели осахаренного сусла

Способ деструкции сырья

Показатели осахаренного сусла Неэкструдированная Экструдированная

пшеница пшеница

Содержание сухих веществ,% 18,4±0,5 19,8±0,5

Содержание растворимых углеводов, г/100см'' 14,4±1,5 15,4±1,5

Содержание аминного азота, мг/ЮОсм3 9,8±0,5 14,7±0,7

рН 6,2±0,4 5,4±0,3

Кислотность, град. 0,23±0,02 0,15±0,03

Оценку эффективности экструзионной обработки сырья на стадии сбраживания сусла оценивали по концентрации этилового спирта, растворимых углеводов (Сру), общих растворимых углеводов (С0бщ) и нерастворенного крахмала (Сш) в зрелой бражке (табл. 2).

Таблица 2 - Показатели зрелых бражек

Способ деструкции сырья Содержание углеводов, г/100 см3 Концентрация спирта,% об.

С0бщ Сру Снк

Неэкструдированная пшеница 0,785±0,014 0,462±0,016 0,291±0,018 8,3±0,2

Экструдированная пшеница 0,529±0,016 0,313±0,017 0,194±0,020 9Д±0,2

Как видно из результатов анализа зрелых бражек применение экструзионной обработки пшеницы позволило на 30 % снизить содержание в зрелой бражке нерастворенного крахмала и на 9,6 % увеличить концентрацию спирта.

Результаты проведенных исследований показали перспективность экструзионной обработки сырья в технологии производства спирта, а деструкция биополимеров сырья, обработанного на экструдере, создает предпосылки к снижению температуры водно-тепловой обработки замесов из экструдированной пшеницы.

Поскольку повышение концентрации перерабатываемых сред является эффективным способом интенсификации спиртового производства, разработку технологии получения осахаренного сусла из экструдированной пшеницы осуществляли для гидромодуля 1:2,5.

Разработка технологии получения осахаренного сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы

Исследование влияния экструзионной обработки пшеницы на партетры клейстеризации крахмала

Наиболее эффективно проводить гидролиз крахмала в сырье, в

котором полностью прошли процессы набухания и клейстеризации.

Для исследования влияния экструзионной обработки сырья на температуру клейстеризации крахмала замесы из экструдированной и неэкструдированной пшеницы нагревали в диапазоне температур от 40 до 90 °С с внесением ферментного препарата, содержащего а-амилазу.

Динамика изменения динамической вязкости исследуемых замесов в зависимости от температуры представлена на рис. 3.

1700 -1600. 1500 V 1400 \ 13001 1200! поо; 1000; »001 800; 700; 600' 500} 400р~ зоо 200|-100: °40~

1 - неэкструдированная пшеница

2 - эксгумированная пшеница

45 ~ 50 "" 55 60 65 "70

75 80 85 90 Температура, °С

Рисунок 3 - Динамика изменения вязкости замесов из пшеницы различной степени деструкции в зависимости от температуры

Вязкость замеса из экструдированной пшеницы при начальной температуре 40 °С выше максимальной вязкости замеса из неэкструдированной пшеницы, что связно с более высокой удельной поверхностью частиц экструдированной пшеницы, однако с повышением температуры вязкость замеса из экструдированной пшеницы постоянно снижается.

Таким образом, отсутствие пика максимальной вязкости позволяет сделать вывод, что в следствие изменения структуры крахмала в процессе экструзии в исследуемом образце отсутствует стадия клейстеризации крахмала.

Выбор и обоснование температуры водно-тепловой обработки замесов из экструдированной пшеницы

В результате математической обработки экспериментальных данных была установлена нецелесообразность проведения водно-тепловой обработки замесов из экструдированной при температуре выше 50 °С, поскольку выше этой температуры не происходит интенсивного снижения вязкости замесов.

Для изучения влияние доз внесения ферментных препаратов а-амилазы и ксиланазы на качественные показатели осахаренного сусла и зрелой бражки (табл. 3) были приготовлены замесы из экструдированной

пшеницы с различными дозами внесения ферментных препаратов. Время выдержки замесов при 50 °С определялось временем прекращения нарастания в них содержания сухих веществ. Для всех образцов продолжительность водно-тепловой обработки составила 60 минут.

Показатели осахаренного сусла и зрелой бражки представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Показатели осахаренного сусла и зрелой бражки

Доза внесения ферментных препаратов Показатели осахаренного сусла Показатели зрелой бражки

Дистицим БА-Т Специал, ед. АС/г крахмала ДистицимОЬ, ед. КС/г сырья Сру, г/100 см3 Динамическая вязкость, мПа*с Концентрация этанола, % об. г г/100 см3

0,3 0,035 17,0±1,3 283±12 9,4±0,2 0,327±0,018

0,6 0,035 17,5±1,4 262±14 9,7±0,2 0,140±0,022

0,3 0,07 17,2±1,5 263±14 9,5±0,2 0,274±0,019

0,6 0,07 17,5±1,4 247±16 9,7±0,2 0,127±0,021

Для дальнейших исследований были выбраны дозы внесения Дистицим БА-Т Специал - 0,6 ед. АС/г крахмала и Дистицим вЬ -0,035 ед. КС/г сырья, с точки зрения стоимости ферментных препаратов и технологических показателей осахаренного сусла и выхода конечного продукта - этилового спирта.

Разработка режима реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы

Важным параметром, определяющим метаболизм дрожжевой клетки, является концентрация сухих веществ в питательной среде.

Влияние концентрации среды на эффективность процесса реактивации оценивали по интенсивности процесса сбраживания осахаренного сусла сухими спиртовыми дрожжами, реактивированными на питательных средах с концентрацией сухих веществ 10; 15; 20; 21,7 % (рис.4). Реактивацию проводили в течение 60 минут при температуре 30 °С.

Рисунок 4 - Выделение диоксида углерода в процессе брожения

Из графика видно, что наиболее интенсивное брожение соответствует образцу, сбраживаемому дрожжами, реактивированными на среде с концентрацией сухих веществ 15 %.

Показатели спиртового брожения и зрелых бражек представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Показатели спиртового брожения и зрелых бражек

Концентрация среды реактивации, % Кол-во дрожжевых клеток на Сру, г/100 см3 Концентрация спирта, % об.

24 ч 48 ч 72 ч

10 65 75 71 0,683±0,019 9,9±0,2

15 80 91 82 0,606±0,020 10,5±0,2

20 70 82 76 0,767±0,017 10,0±0,3

21,7 64 78 70 0,775±0,018 9,8±0,2

Максимальная концентрация этилового спирта в зрелой бражке получена в образце, реактивация дрожжей в котором производилась на сусле с концентрацией сухих веществ 15 %.

Во всех исследуемых образцах отмечается низкая концентрация дрожжевых клеток, которая не превышает 100 млн/мл, и наблюдаются потери с несброженными углеводами.

Разработка режима сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы

Для повышения бродильной активности спиртовых дрожжей вносили ферментный препарат протеолитического действия на разных стадиях технологического процесса - на стадии приготовления замеса, после осахаривания и одновременно с дрожжами перед брожением.

Эффективность протеолиза на различных технологических стадиях оценивали по содержанию аминного азота в образцах осахаренного сусла (табл. 5), по скорости выделения диоксида углерода в процессе брожения (рис. 5), по концентрации дрожжевых клеток, показателям зрелых бражках (табл. 6) и по концентрации летучих примесей в бражных дистиллятах (табл. 7).

Таблица 5 - Содержание аминного азота в осахаренном сусле

Стадия внесения протеолитического ферментного препарата Содержание аминного азота, мг/100 см3

Контроль (без внесения протеолитического ферментного препарата) 18,9±1,2

Приготовление замеса 27,3±1,1

После осахаривания 22,4±1,1

Перед брожением 18,9±1,2

Из табл. 5 видно, что внесение кислой протеазы на стадии приготовления замеса и после осахаривания, приводит к увеличению

содержания аминного азота в сусле на 18,5 - 44,4 %.

Рисунок 5 - Скорость выделения диоксида углерода в процессе брожения

Из графика (рис. 5) следует, что внесение кислой протеазы на стадии брожения привело к интенсификации процесса и сокращению сроков сбраживания до 64 ч.

Таблица 6 - Показатели спиртового брожения и зрелых бражек

Стадия внесения протеолитического ферментного препарата Кол-во дрожжевых клеток на Сру> г/100 см3 Концентрация спирта, % об. Выход спирта, дал/ т условного крахмала

24 ч 48 ч 72 ч

Контроль (без внесения протеолитического ферментного препарата) 80 91 82 0,606±0,030 10,5±0,2 61,4±3,1

Приготовление замеса 104 112 103 0,402±0,020 11,1±0,3 64,9±3,2

После осахаривания 120 123 115 0,527±0,026 10,7±0,2 62,6±3,1

Брожение 152 158 143 0,351±0,018 11,4±0,2 66,7±3,3

Из табл. 6 видно, что в течение всего процесса брожения концентрация дрожжевых клеток во всех опытных образцах превышала их концентрацию в контрольном образце в 1,3 -1,9 раз. Внесение кислой протеазы на стадии брожения увеличивает выхода спирта на 8,6 % по сравнению с контрольным образцом. Внесение кислой протеазы на стадии приготовления замеса и на стадии брожения позволяет снизить концентрацию несброженных углеводов и получить зрелую бражку с нормативными показателями.

Таблица 7 - Сравнительный анализ содержания летучих примесей в бражных дистиллятах

Концентрация примесей спирта, мг/дм3 бражки Стадия внесения протеолитического ферментного препарата

Контроль Приготовление замеса После осахаривания Брожение

Метанол 1,10±0,06 0,70±0,03 1Д0±0,06 0,90±0,05

Изопропанол 0,40±0,02 3,60±0,20 0,50±0,03 1,00±0,05

н-бутанол 1,30±0,07 1,10±0,06 1,10±0,06 1,00±0,05

Изобутанол 129,3±6,5 92,0±4,6 109,6±5,5 J 89,2±4,5

Изопентанол 426,6±21,3 456,1±22,8 409,9±20,5 392,4±19,6

н-гексанол 7,5±0,4 6,7±0,3 6,4±0,3 6,0±0,3

2-фенилэтанол 41,8±2,1 7б,3±3,8 44,9±2,2 50,5±2,5

Этилацетат 14,3±0,7 7,0±0,4 8,6±0,4 7,0±0,4

Этилбутират 77,1±3,9 35,5±1,8 61,4±3,1 40,3±2,0

Этилпируват 18,9±1,0 18,5±0,9 17,5±0,9 18,0±0,9

Ацетальдегид 51,6±2,б 43,2±2,2 40,1 ±2,0 j 24,3±1,2

Сумма примесей 769,9±38,5 740,1 ±37,0 701,1±35,1 630,6±31,5

Суммарное содержание летучих примесей спирта при внесении кислой протеазы на стадии брожения снизилось на 18 % по сравнению с контрольным образцом, в который не вносили ферментный препарат протеолитического действия.

На основании полученных результатов было установлено, что при сбраживании сусла из экструдированной пшеницы наиболее эффективно вносить кислую протеазу на стадии брожения.

На основании проведенных исследований водно-тепловую и ферментативную обработку замесов из пшеницы, экструдированной при 190 °С, рекомендуется проводить при 50 °С в течение 1 ч с применением комплекса ферментных препаратов амилолитического и целлюлолитического действия, а сбраживание осахаренного сусла рекомендуется осуществлять сухими спиртовыми дрожжами, реактивированными на сусле с концентрацией сухих веществ 15 % с внесением ферментного препарата протеолитического действия перед брожением.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что повышение температуры экструзионной обработки пшеницы приводит к увеличению пористости, уменьшению толщины стенок и твердости экструдатов. Экструзионная обработка сырья при температурах 110; 150 и 190 °С позволяет в 1,2 раза увеличивать в помоле долю частиц размером менее 1 мм по сравнению с измельчением неэкструдированной пшеницы.

2. Показано, что применение экструзионной обработки пшеницы в технологии спирта с обработкой замесов по механико-ферментативной схеме позволяет на 30 % снизить количество нерастворенного крахмала и на 9,6 % увеличить концентрацию спирта в зрелой бражке.

3. Экспериментально доказано, что в процессе водно-тепловой обработки замеса из пшеницы, экструдированной при 190 °С, отсутствует стадия клейстеризации крахмала.

4. Использование помола пшеницы, экструдированной при 190 °С, и внесение ферментного препарата Дистицим БА-Т Специал, содержащего а-амилазу, в дозировке 0,6 ед. АС/г крахмала и ферментного препарата Дистицим GL, содержащего ксиланазу, в дозировке 0,035 ед. КС/г сырья позволяет снизить температуру водно-тепловой обработки замесов с 90 °С до 50°С и сократить время обработки на 3 часа.

5. Установлено, что наибольшей бродильной активностью обладают дрожжи, реактивированные на сусле из экструдированной пшеницы с концентрацией сухих веществ 15 %.

6. Внесение протеолитического ферментного препарата в дозировке 0,2 ед. ПС/г белка на стадии брожения позволило повысить бродильную активность дрожжей, сократить длительность брожения до 64 ч увеличить выход спирта на 8,6 %, снизить содержание несброженных углеводов до 0,351 г/100 см3, что удовлетворяет требованиям Типового регламента, а также снизить содержание летучих примесей в бражном дистилляте на 18 %.

7. Разработана техническая документация на технологию этилового спирта из экструдированной пшеницы, обеспечивающую условную годовую экономию от внедрения в 6,2 млн руб./год.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Начетова, М.А. Исследование влияния режимов экструзионной обработки зернового сырья на технологические показатели производства спирта [Электронный ресурс] / М.А. Начетова, Н.В. Баракова, Е.В. Сложеникин // Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств» / ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных и пищевых технологий». - СПб: СПбГУНиПТ, 2012. - №2.

2. Начетова, М. А. Исследование процесса сбраживания высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы с использованием протеолитического ферментного препарата Дистицим Протацид Экстра [Электронный ресурс] / М.А. Начетова, Н.В. Баракова, Е.В. Сложеникин // Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств» / ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». - СПб: СПбГУНиПТ, 2012. - №2.

3. Начетова, М. А, Исследование влияния протеолитического ферментного препарата Дистицим Протацид Экстра на параметры сбраживания высококонцентрированного сусла / М.А. Начетова // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / отв. ред. А.Ю. Песков; ред. кол.-. М.А. Осинцева, А.И. Лосева, А.П. Сырцева. - Кемерово, 2012-С. 211-212.

4. Начетова, М. А. Выбор и обоснование температуры водно-тепловой обработки замесов из экструдированной пшеницы /М.А. Начетова, Н.В. Баракова / /Производство спирта и ликероводочных изделий.- 2013. -№ 3. - С. 29-32.

5. Начетова, М. А. Влияние режима внесения протеолитического ферментного препарата на параметры сбраживания высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы /М.А. Начетова, Н.В. Баракова // Производство спирта и ликероводочных изделий.- 2013. - № 4. - С. 17-19.

6. Начетова М. А. Разработка технологии получения сусла из экструдированной пшеницы/ М.А. Начетова // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 4. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - С.74-75.

7. Начетова, М.А. Разработка режима реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания высококонцентрированного сусла из экструдированной пшеницы / М.А. Начетова, Н.В. Баракова // Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений. [Текст]: матер. III Междунар. науч.-техн. конф./ Воронеж. Гос. ун-т инж. технол. - Воронеж: ВГУИТ, 2013. - С. 55-57.

8. Начетова, М. А. Выбор и обоснование температуры водно-тепловой обработки замесов из экструдированной пшеницы // М. А. Начетова, Н. В. Баракова // VI Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 13-15 ноября 2013 г.): Материалы конференции. - СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. - С. 577-580.

Подписано в печать ¡1- Я > И. Формат 60x84 1/16.

Усл. печ.л. Печ. л. 1.0. Тираж 80 экз. Заказ № >1.

НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ НАЦИОНАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 663.5

04201457268

НАЧЕТОВА Мария Александровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ПШЕНИЦЫ

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Н.В. Баракова

Санкт-Петербург 2014 г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА ИЗ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ........................................................................................................................9

1.1. Способы интенсификации технологии спирта.................................................9

1.2. Способы водно-тепловой обработки замесов................................................12

1.3. Экструзия и изменения, происходящее с зерном в процессе экструзии.....16

1.4. Переработка зернового сусла повышенной концентрации..........................20

1.5.Применение активных сухих дрожжей в производстве спирта...................22

1.6. Сбраживания сусла повышенной концентрации...........................................24

1.7. Выводы из литературного обзора и постановка задач исследования..........31

2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ............................32

2.1. Материалы и объекты исследования...............................................................32

2.1.1. Объекты исследования...............................................................................32

2.1.2. Материалы исследования...........................................................................33

2.2 Методы исследования.......................................................................................35

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ПШЕНИЦЫ..................................................................42

3.1 Исследование влияния температурных режимов экструзионной обработки пшеницы на структурно-механические свойства экструдатов...........................42

3.2 Исследование эффективности применения экструзионной обработки пшеницы для получения этилового спирта...........................................................46

3.3 Разработка технологии получения осахаренного сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы.....................................................51

3.3.1 Исследование влияния экструзионной обработки пшеницы на параметры клейстеризации крахмала..................................................................51

3.3.2 Исследование влияния ферментных препаратов на вязкость замесов из

экструдированной пшеницы в зависимости от температуры...........................53

3.3.3 Обоснование и выбор температуры и доз внесения ферментных препаратов для проведения водно-тепловой и ферментативной обработки замесов из экструдированной пшеницы..............................................................56

3.4 Разработка режима реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы....................................................................................................................61

3.5 Разработка режима сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы...................................................................................64

3.5.1 Исследование влияния режима внесения протеолитического ферментного препарата на параметры сбраживания сусла из экструдированной пшеницы.................................................................................64

3.5.2 Исследование влияния внесения протеолитического ферментного препарата на стадии брожения на показатели послеспиртовой барды............73

3.6 Разработка технологии этилового спирта из экструдированной пшеницы 75

4. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ..........................................78

ВЫВОДЫ........................................................................................................................87

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................89

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................102

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из важнейших направлений развития спиртовой промышленности на сегодняшний день является совершенствование технологии этилового спирта, направленное на уменьшение потребления тепло- и энергоресурсов за счёт снижения температуры водно-тепловой обработки замесов и увеличение производительности технологического оборудования за счет повышения концентрации перерабатываемых сред.

Температурные параметры водно-тепловой обработки замесов зависят от степени механической деструкции зернового сырья. Эффективным способом изменения структуры зерна является экструзия, которая обеспечивает деструкцию биополимеров сырья за счет одновременного воздействия механического давления, тепла и влаги, что также позволит решить проблему микробиологической чистоты производственных сред и перерабатывать фуражное зерно.

Пшеница - наиболее используемое в спиртовой промышленности сырье, в связи с этим большой интерес вызывает влияние экструзионной обработки именно на эту культуру.

Экструзионная обработка сырья приводит к молекулярной дезорганизации молекул крахмала, что впоследствии отражается на такой его важной характеристике, как температура клейстеризации, которая и определяет температурные режимы проведения водно-тепловой обработки замесов.

При переработке сред повышенной концентрации на стадии клейстеризации крахмала значительно увеличивается вязкость зерновых замесов, что в дальнейшем влияет на качественные показатели получаемых гидролизатов.

Для снижения вязкости замесов из ячменя, пшеницы и ржи в работах Н. В. Бараковой, Л. Н. Крикуновой, Л. В. Римаревой была показана эффективность применения комплекса ферментных препаратов, содержащих а-амилазу, целлюлазу, ксиланазу и (З-глюканазу. Применение ферментных препаратов комплексного действия может быть эффективным и при переработке

экструдированного сырья.

Повышение концентрации перерабатываемых сред влияет не только на вязкость замесов, но и на метаболизм дрожжевых клеток, что особенно важно при работе с сухими дрожжами, которые отличаются повышенной проницаемостью мембран, и это необходимо учитывать при разработке режима их реактивации.

При сбраживании сусла повышенной концентрации для поддержания высокой бродильной активности дрожжей необходимо обеспечить сбраживаемую среду достаточным количеством азотистого питания на протяжении всего процесса брожения.

В работах Л.В. Римаревой, М.А. Бушина, Т.М. Тананейко показана эффективность обогащения питательной среды свободными аминокислотами за счет применения протеолитических ферментных препаратов на примере таких зерновых культур, как пшеница и рожь. Научный и практический интерес представляет изучение влияния протеолиза и на экструдированное сырьё.

Экструзионная обработка сырья и применение комплекса ферментных препаратов целлюлолитического и протеолитического действия при переработке сред повышенных концентраций позволит снизить выход отходов спиртового производства и повлиять на качественные показатели барды, утилизация которой является актуальной проблемой для спиртовой промышленности.

Возможности, которые открывает экструзия, делает разработку технологии производства спирта из экстурдированного сырья актуальной задачей.

Цель работы. Исследовать влияние экструзии пшеницы на технологические параметры водно-тепловой обработки замесов и разработать технологию этилового спирта из экструдированной пшеницы.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

- исследовать влияние температурных режимов экструзионной обработки пшеницы на структурно-механические свойства сырья;

- исследовать эффективность применения экструзионной обработки пшеницы для получения этилового спирта;

- исследовать влияние экструзионной обработки пшеницы на параметры

клейстеризации крахмала;

- разработать режим проведения водно-тепловой и ферментативной обработки замесов повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- разработать режим реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- исследовать влияние ферментного препарата протеолитического действия на параметры сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- разработать техническую документацию на производство этилового спирта из экструдированной пшеницы.

Научная новизна работы:

- установлено, что повышение температуры экструзионной обработки сырья увеличивает количество мелкодисперсной фракции в помоле экструдированной пшеницы;

- показано, что применение экструзионной обработки пшеницы позволяет получать осахаренное сусло и зрелую бражку с более высокими качественными показателями по сравнению с применением неэкструдированной пшеницы;

- доказано отсутствие стадии клейстеризации крахмала в замесе из экструдированной пшеницы;

- установлена концентрация среды для реактивации сухих спиртовых дрожжей, обеспечивающая максимальную бродильную активность дрожжей при сбраживании сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- показано, что внесение ферментного препарата протеолитического действия на стадии брожения приводит к сокращению сроков сбраживания, увеличению выхода спирта и снижению содержания летучих примесей спирта в бражных дистиллятах.

Практическая значимость:

Разработаны режимы: - водно-тепловой и ферментативной обработки замесов из экструдированной пшеницы;

- реактивации сухих спиртовых дрожжей на сусле из экструдированной пшеницы;

- сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы с применением протеолитического ферментного препарата.

Разработана технологическая инструкция на производство этилового спирта из экструдированной пшеницы.

Проведены испытания на спиртовом заводе ООО «ИТАР» (г. Калининград).

По результатам проведения опытно-промышленных испытаний установлено, что экономический эффект от внедрения разработанной технологии спирта из экструдированной пшеницы на спиртовом заводе мощностью 1 ООО дал/сутки составит 6,2 млн руб. в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012); на ХЫ1 научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013); на П Всероссийском конгрессе молодых ученых «Биотехнологии и ресурсосберегающие инженерные системы» (Санкт-Петербург, 2013); на Ш Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений» (Воронеж, 2013); на VI Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2013).

Личный вклад диссертанта. Проанализирована и обобщена научная информация по проблеме, связанной с темой диссертации, обоснован выбор объектов и методов исследования, проведены эксперименты, проведена математическая обработка опытных данных и обобщены полученные результаты, разработана технология и техническая документация на производство этилового спирта из экструдированной пшеницы.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- влияние температурных режимов экструзионной обработки пшеницы на структурно-механические свойства сырья;

- влияние экструзионной обработки пшеницы на протекание основных процессов в технологии спирта;

- обоснование выбора режима водно-тепловой и ферментативной обработки замесов повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- обоснование выбора режима реактивации сухих спиртовых дрожжей для сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы;

- обоснование выбора режима сбраживания сусла повышенной концентрации из экструдированной пшеницы.

- технология этилового спирта из экструдированной пшеницы.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА ИЗ

ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ

1.1. Способы интенсификации технологии спирта

Производство спирта является крайне энерго- и материалоёмкой отраслью промышленности, поэтому одним из направлений развития спиртовой промышленности является интенсификация технологии в направлении снижения расходов тепло- и энергоресурсов, а также в направлении повышения степени использования всех компонентов сырья и увеличения выхода целевого продукта -этилового спирта.

Классические технологии производства спирта предусматривают получение осахаренного сусла в результате разваривания крахмалсодержащего сырья под давлением при температуре 130-140 °С [67]. Однако под действием высоких температур в развариваемой массе активизируются процессы окисления и меланоидинообразования, что приводит к потере сбраживаемых углеводов и образованию токсичных примесей в процессе брожения. Применение разваривания под давлением также приводит к значительному расходу тепло- и энергоресурсов [6,29, 67].

Одним из наиболее перспективных направлений интенсификации технологии спирта является разработка технологии переработки зернового сырья по механико-ферментативной схеме при температуре не выше 100 °С [63].

Такая технология позволяет уменьшать потери сбраживаемых Сахаров за счёт снижения интенсивности химических реакций, в результате чего в процессе брожения образуется меньшее количество побочных, в том числе трудно выводимых в процессе брагоректификации вредных веществ [6, 10, 60, 67, 77].

Однако опыт применения механико-ферментативной схемы обработки замесов показал, что такой способ приводит к значительному увеличению времени обработки замеса по сравнению с развариванием под давлением [55] и не позволяет полностью перевести крахмал сырья в растворенное состояние, в

результате чего ожидаемое увеличение выхода спирта за счёт снижения интенсивности реакции меланоидинообразования нивелируется потерями с нерастворенным крахмалом.

В случае применения фуражного зерна, которое часто используется в спиртовой промышленности, при его переработке по механико-ферментативной схеме возникают значительные трудности с обеспечением микробиологической чистоты перерабатываемых сред, для устранения которых требуется установка дополнительного оборудования для стерилизации замесов. Нарушение микробиологической чистоты производственных сред приводит к инфицированию сусла, потере сбраживаемых углеводов и накоплению трудноотделяемых в процессе брагоректификации примесей [ 30, 49, 67, 78].

Уменьшить температуру водно-тепловой обработки замесов и обеспечить эффективное растворение крахмала возможно за счет применения таких технологических приёмов, которые позволяют обеспечить глубокую деструкцию структуры зерна. Для обеспечения микробиологической чистоты перерабатываемых сред необходимо проводить предварительную обработку зерна.

Одним из самых перспективных способов деструкции зерновых культур в технологии спирта на сегодняшний день может стать экструзионная обработка сырья, поскольку в процессе экструзии происходит изменение структуры крахмала и других биополимеров сырья, в результате чего полученный крахмалсодержащий продукт (экструдированное зерно) отличается высокой степенью растворимости в воде и ферментативной атакуемости [68].

Изменение структуры крахмала и других биополимеров зерна в процессе экструзионной обработки позволит более полно использовать все компоненты сырья, затраты на которое составляют 65-70 % от общих затрат на производство этилового спирта [2].

При экструзионной обработке зерна также значительно улучшается его микробиологическое состояние. В результате экструзии, в зависимости от выбранного температурного режима и начальной контаминации сырья,

происходит либо полное уничтожение, либо значительное снижение количества плесневых грибов и бактерий [21,27].

Таким образом, разработка технологии получения осахаренного сусла из экструдированного зерна позволит значительно сократить расходы тепло- и энергоресурсов на стадии водно-тепловой обработки сырья без ухудшения микробиологических показателей технологических сред.

Наравне со снижением температуры водно-тепловой обработки замесов, широкое распространение получил способ интенсификации спиртового производства за счет повышения концентрации перерабатываемых сред. Данные способы не требуют больших капитальных затрат и изменения структуры производства предприятия [45, 110].

Известно, что на нагрев 1 кг зерна необходима лишь третья часть энергии, требуемой на нагрев 1 кг воды. То есть при уменьшении гидромодуля замеса уменьшается количество нагреваемой воды и, следовательно, снижаются затраты на тепло- и энергоресурсы, цены на которые постоянно растут [18].

Однако при переходе на переработку сред повышенной концентрации наблюдается проблема повы�