автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологии культивирования производственных дрожжей при переработке зерна в спирт с использованием концентрированных ферментных препаратов

УДК 663.122:663.53.531:577.154

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ КУЛЬТИВУВАННЯ ВИРОБНИЧИХ ДРІЖДЖІВ ПРИ ПЕРЕРОБЦІ ЗЕРНА В СПИРТ З ВИКОРИСТАННЯМ КОНЦЕНТРОВАНИХ ФЕРМЕНТНИХ ПРЕПАРАТІВ

05.18.07 - технологія продуктів бродіння

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

О'КРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

СОСНИЦЬКИЙ ВІТАЛІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті спирту і біотсхнології продовольчих продуктів Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, академік УТА Олійнічук Сергій Тішофійович,

Український науково-дослідний інститут спирту і біотехнології продовольчих продуктів, заступник директора з наукової роботи.

доктор технічних наук, професор,

Кисла Любов Василівна,

Український державний університет харчових технологій, директор Центру оцінки якості сировини та готової продукції УДУХТ;

Провідна установа:

кандидат технічних наук,

С'кори ко в а Тетяна Костянтинівна,

Інститут винограду і вина «Магарач»

Української академії аграрних наук, зав. лабораторією мікробіології.

Інститут харчової хімії і технології НАН України та Міністерства аграрної політики України, м.Київ

Захист відбудеться листопада 2000 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 в Українському державному університеті харчових технологій за адресою: 01033, Київ - 33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А - 311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 68

Автореферат розісланий “^Ч. “ жовтня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., с.н.с. __ Л.О. Федорснченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Спиртова галузь харчової промисловості України - одна із найбільш технічно розвинутих галузей. За технічним оснащенням та існуючими технологіями спиртові заводи України мають певну перевагу над аналогічними заводами ряду зарубіжних країн. Крім того, ефективність використання сировини вища, а вимоги до якості спирту більш жорсткі в порівнянні зі світовими.

На спиртових заводах, що переробляють крохмалевмісну сировину,

знайшли широке застосування безперервні технологічні процеси

розварювання зерна, оцукрювання крохмалю з вакуум-охолодженням та прогресивні способи його зброджування в спирт. Сучасний науково-технічний рівень технології спирту як науки досягнуто завдяки розробкам видатних вчених багатьох країн, в тому числі і вчених України (А.Г. Забродський, З.К. Ашкинузі, В.О. Маринченко, Л.В. Кисла та ін.), які приймали участь в її створенні та вдосконаленні. Разом з тим слід відзначити, що виробництво спирту із крохмалевмісної сировини є достатньо матеріале-, тепло- і енергомістким, тому зусилля вчених всіх країн

спрямовані на розвиток ресурсозберігаючих технологій.

Актуальність проблеми. Найбільш праце- і енергомісткою

технологічною операцією у виробництві спирту є підготовка сировини до зброджування.

На розварювання замісу і переведення крохмалю в розчинну форму витрачається близько 84-105 ГДж тепла, що становить 30-40 % від загальних витрат теплових ресурсів на виробництво ректифікованого спирту. В процесі розварювання при температурі 150 - 170 °С і тиску 0,5 - 0,8 МПа значна частина вуглеводів /3-4 % від введеного крохмалю/ втрачається, вступаючи в реакцію з амінокислотами та іншими продуктами розпаду білків зерна. Крім того, продукти цукроамінної реакції / меланоїдини / знижують активність амілолітичних ферментів, погіршуючи декстринізацію і оцукрювання крохмалю. Частина цукрів втрачається при високих температурах в результаті їх карамелізації.

Згідно з традиційною технологією для оцукрювання крохмалю використовують зерновий солод, що пов'язано з витратами значної кількості висококондиційного зерна / 15,5 % від маси крохмалю зерна, що надходить на переробку/. При цьому близько 16 % крохмалю зерна, що використовують на виробництво солоду, витрачається на біологічні процеси при пророщуванні. Крім того, солодове молоко є сильним джерелом бактеріальної інфекції, позбутися якої стерилізацією немає можливості, оскільки ферменти а - і р - амілази, які в ньому знаходяться, не витримують високої температури.

Для того, щоб позбутися цих недоліків, властивих високотемпературному розварюванню сировини, на деяких спиртових заводах запровадили гідроферментативну обробку сировини з використанням для декстринізації і оцукрювання крохмалю концентрованих ферментних препаратів.

Аналіз результатів роботи цих підприємств показав, що мас місце різноманітність поглядів щодо параметрів режимів різних стадій процесу /приготування замісу, його розрідження; розчинення і оцукрювання крохмалю/, таких як температура, тривалість, рН середовища, вміст іонів кальцію та інші. Ця неоднозначність не дозволяє одержувати гарантовані високі показники при переробці різних культур зерна. Крім того, недостатньо вирішеними проблемами у виробництві спирту з використанням концентрованих ферментних препаратів і низькотемпературного розварювання сировини є боротьба з інфікуванням середовища, що зброджується, а також умови культивування виробничих дріжджів для зброджування сусла.

Указані обставини приводять до висновку, що запровадження ферментних препаратів в технології спирту і відпрацювання технологічних режимів на всіх стадіях виробництва є актуальною проблемою і потребує грунтовних науково-практичних досліджень. Вирішення її дасть можливість підвищити технологічні показники виробництва за рахунок зменшення витрат теплової енергії та сировини на одиницю виробленої продукції.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Науково- дослідні роботи входили у план НДР УкрНДІспиртбіопрод 1996-1999 років і виконувалися згідно договору з державним концерном “Укрспирт” та завданням Міннауки України (№№ державної реєстрації 0198 иА 002791, 0197 0015046).

Автор приймав участь у проведенні значної частини експериментальних досліджень в лабораторних та виробничих умовах і розробці науково-технічної документації.

Мета роботи - Вдосконалення технологічних режимів культивування виробничих дріжджів і анаеробного зброджування сусла, оцукреного фермент ними препаратами в спиртовому виробництві.

Завдання досліджень:

-визначити вуглеводний та азотний склад сусла, оцукреного ферментними препаратами, та дослідити особливості його зброджування;

-оптимізувати склад середовища для культивування виробничих дріжджів;

-розробити оптимальні умови культивування виробничих дріжджів, що забезпечують найбільшу ефективність використання сировини;

-дослідити умови антисептування виробничих середовищ за допомогою нового біоциду “Каморан”;

-розробити технологічну схему та науково-технічну документацію переробки крохмалевмісної сировини на спирт з застосуванням концентрованих ферментних препаратів.

Об'єкт дослідження - спиртове зброджування крохмалевмісної сировини з оцукрюванням концентрованими ферментними препаратами. Предмет дослідження - культивування виробничих дріжджів.

з

Методи дослідження - спеціальні мікробіологічні, біохімічні, фізико-хімічні методики для оцінки ефективності процесів культивування виробничих дріжджів та спиртового зброджування крохмалевмісної сировини.

Наукова новизна одержаних результатів:

-удосконалено склад живильного середовища та технологічні параметри культивування виробничих дріжджів при зброджуванні сусла оцукреного ферментними препаратами;

- дістали подальший розвиток дослідження впливу морфологічних та ростових особливостей різних культур дріжджів на кінетичні показники біосинтезу спирту;

-одержано нові експериментальні дані щодо впливу кількості та якості виробничих дріжджів на їх біосинтетичну активність в процесі спиртового бродіння.

вперше одержані експериментальні дані щодо інгибування новим біоцидом змішаних популяцій бактеріальних культур, що інфікують середовище при виробництві спирту;

- на основі отриманих експериментальних даних розроблено ефективну технологію культивування виробничих дріжджів та зброджування сусла при виробництві спирту із крохмалевмісної сировини.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено технологічну схему підготовки і зброджування сусла із крохмалевмісної сировини з застосуванням концентрованих ферментних препаратів. Розроблено і затверджено нормативно-технічну документацію на технологію повторного використання післяспиртової барди і технологічні режими культивування дріжджів та зброджування крохмалевмісної сировини на спирт.

Створено дослідно-промислову установку для гідроферментзтивної обробки сировини, відпрацьовано технологічні режими на всіх виробничих стадіях в умовах Сторонибабського спиртового заводу.

Розроблено технологічну інструкцію і одержано дозвіл МОЗ України на використання нового біоциду в спиртовому виробництві.

Розроблена нормативно-технічна документація використана при розробці технологічного регламенту виробництва спирту із крохмалевмісної сировини і як в загальному, так і в окремих частинах може використовуватися на діючих спиртових заводах, що переробляють крохмалевмісну сировину, а також при проектуванні нових заводів.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто досліджено вплив повторного використання барди на продуктивність виробничих дріжджів, здійснено відпрацювання технологічних режимів підготовки середовища і культивування дріжджів у виробничих умовах.. Ряд лабораторних та та виробничих досліджень, написання публікацій та розробка НТД виконані у співавторстві зі співробітниками відділу технології продуктів бродіння і мікробного синтезу УкрНДІспиртбіогіроду.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були викладені і обговорені на засіданнях вченої ради УкрНДІспиртбіопроду в 1996 - 1999 роках, а також на Міжнародних

науково-практичних конференціях: “Современные информационные и энергосберегающие технологии жизнеобеспечения человека” (м. Кам'янець-Подільский, 1998 р.), “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової та переробноої промисловості” (м.Київ, 1999 р.)

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 11 робіт, у т.ч. 2 патенти України.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу,

5 розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 230 найменувань, і 3 додатків. Робота викладена на 119 сторінках машишописного тексту, містить 7 рисунків і 30 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі з'ясовано стан проблеми та обгрунтовано актуальність досліджень з точки зору її наукового та практичного значення для спиртової галузі У країн її.

У першому розділі виконано аналітичний огляд літературних джерел з питань культивування дріжджів та їх фізіологічної активності в залежності від окремих фізико-хімічних та біохімічних факторів. Висвітлено існуючі способи підготовки сировини до зброджування та їхній вплив на склад живильного середовища для культивування дріжджів. Представлені різні таксономічні групи мікроорганізмів, які використовуються в біотехнологічному процесі перетворення крохмалю в спирт.

Критично проаналізовані дані огляду літератури по поставленій проблемі, сформульовані задачі досліджень, націлені на оптимізацію складу середовища та умов культивування дріжджів при зброджуванні сусла оцукреного ферментними препаратами.

У другому розділі зазначаються вибрані об'єкти дослідженя - чисті культури дріжджів Saccharomyces cerevisiae раси XII та XII Т. Для приготування середовищ використовували дві злакові культури - пшеницю та кукурудзу. Сировину подрібнювали на лабораторному млині до розміру частин менше 1 мм, змішували з водою у співвідношенні 1:3,5 до отримання однорідної маси. В приготовану масу вносили термостабільну а - амілазу фірми “Novo Nordick”, нагрівали до температури 90 - 95 °С і здійснювали розчинення крохмалю на протязі 3-4 годин. Декстринізовану масу охолоджували до температури 54-55 °С, додавали глюкоамілазу і

оцукрювали 2-3 години.

Середовище для дріжджів готували таким чином. Після внесення джерел азоту, фосфору та ростових речовин в оцукрене сусло проводили додаткове розчинення крохмалю термостабільною а - амілазою при температурі 90 - 95 °С і оцукрення при температурі 54 - 55 °С на протязі однієї години. Контроль якості середовиша та повноти оцукрювання здійснювали за співвідношенням мальтоза : декстріни, яке підтримували 3:1. Отримане середовище засівали чистою культурою дріжджів і вели їх розмноження на протязі 24 годин при температурі 28 - ЗО °С. Вирощені дріжджі в кількості 8 % об. використовували для зброджування оцукреного сусла.

Активність гексокінази визначали ферментативним методом з використанням дегідрогінази глюкозо-6-фосфату і NADP. Вміст амінокислот в суслі і дріжджах визначали методом рідинної іонообмінної колонкової хроматографії.

У зрілих бражках визначали вміст незброджених вуглеводів фото-електроколориметричним методом з антроном, спирту пікнометром, кислотність титруванням, концентрацію сухих речовин ареометром.

В дистилятах бражки визначали вміст летких домішок методом газової хроматографії на хроматографі HP 5890 серії II фірми Hewlett Packard. Вміст гліцерину визначали фотоелектроколориметричним методом.

У третьому розділі досліджено вуглеводневий та амінокислотний склад сусла, оцукреного ферментними препаратами та особливості його зброджування. Вивчення динаміки гідролізу крохмалю ферментними препаратами показало, що кількість зброджуваних цукрів залежить від тривалості технологічних стадій розчинення та оцукрювання при однаковій дозі ферментного препарату. Гак, при тривалості розчинення три години і оцукрювання дві години ступінь декстринізації далеко неповний і складає для пшениці 95,3 %, а для кукурудзи 82,3 %. По мірі збільшення тривалості оцукрювання кількість зброджуваного цукру збільшується і досягає максимального значення на 15 годину.

Показано, що вміст амінокислот в суслі, оцукреному ферментними препаратами, був у 2,24 рази меншим в порівнянні з суслом, яке оцукрювали ферментами солоду.

Таким чином, процес зброджування оцукреного сусла лімітується швидкістю дооцукрювання декстринів, яка істотно зменшується в бродильних апаратах за рахунок неоптимальної температури та значення рН для дії ферментних препаратів. Разом з тим недостатня кількість амінокислот зменшує швидкість росту дріжджів, їх фізіологічну активність і подовжує термін зброджування.

З метою підвищення біосинтетичної активності дріжджів досліджено вплив різних джерел азоту. Встановлено, що використання фільтрату барди на стадії приготування замісу в кількості 20-30 % по відношенню до води підвищує вихід спирту на 0,8- 3,2 %, зменшує втрати з незбродженим цукром на 20-22 % та зменшує вміст в дистилятах таких домішок, як альдегіди, суми вищих спиртів, складних ефірів та органічних кислот.

Методом математичного планування експерименту оптимізована доза азотного і фосфорного живлення при періодичному зброджуванні сусла, оцукреного ферментними препаратами, Критерієм оптимізації вибрано кількість синтезованого спирту. Вхідними факторами служили - сечовина (Хі), як джерело азоту, з діапазоном виміру 0,0 < = Х| < = 8,0; ортофосфорна кислота (Х2), як джерело фосфору, з діапазоном виміру

0,0 < = Х2 < = 3,5 кг/т крохмалю.

Після реалізації дослідів у відповідності з матрицею ротабельного планування двохфакторного експерименту, розрахунку коефіцієнтів пошукової моделі і оцінки їхньої значимості по градієнту отримано рівняння регресії, яке описує залежність синтезованого спирту від дози сечовини та ортофосфорної кислоти :

Р = 6,837 + 0,112 -X, + 0,117 -Х2 - 0,16 • X,2 - 0,005 • X, -Х2 - 0,028 • Х22

Максимальна біосинтетична активність дріжджів досягається при витратах сечовини 3 кг/т і ортофосфорної кислоти 1,5 кг/т крохмалю.

Показано, що ефективність використання поживного середовища збільшується при внесенні кукурудзяного екстракту. При цьому підвищується фізіологічна активність дріжджів, досягається більш повне зброджування цукру і збільшується вихід спирту.

З'ясовано, що при культивуванні виробничих дріжджів на середовищі з недостатнім ступенем оцукрення зменшується їх бродильна активність по мірі збільшення кількості пересівів з попереднього в наступний технологічний цикл. При однаковій тривалості культивування вміст спирту поступово зменшувався і в четвертому пересіві складав 3,85 об.% проти 6,65 об.% в першому. Відповідно до утворення спирту, кількість незброджених вуглеводів зросла від 1,75 до 5,58 г/100см3. Зменшення бродильної активності зумовлене неоптимальними умовами для росту дріжджів, кількість біомаси яких також зменшувалася від 125 до 78 млн/см3.

Використання таких дріжджів на анаеробній стадії (табл. 1.) показало, шо від циклу до циклу збільшується тривалість зброджування з 72 до 94 годин, підвищуються втрати з незбродженими вуглеводами і за рахунок цього істотно зменшується вихід спирту. Аналіз вуглеводного складу дозрілої бражки показує, що основні втрати цукру викликані підвищеним вмістом спирторозчинпих вуглеводів та декстринів. Ці показники підтверджують наше припущення, що недостатнє оцукрювання крохмалю на стадії гідроферментативної обробки сировини призводить до лімітування росту дріжджів джерелом вуглешо.

Таблиця 1. - Вплив додаткового оцукрення сусла на продуктивність дріжджів

Показник Без додаткового оцукрення сусла 3 додатковим оцукренням сусла

рН бражки 4,6 4,6

Кислотність, град. 0,40 0,37

Видима концентрація СР, % 0,2 0,0

Дійсна концентрація СР, % 2,9 2,6

Концентрація спирту, об.% 6,6 6,75

Сумарний вміст незброджених вуглеводів, г/100см3 0,272 0,242

Водорозчинні вуглеводи. г/ІООсм3 0,256 О", 187

Нерозчинний крохмаль, г/ІООсм'1 0,011 0,062

Спирторозчинні вуглеводи, г/ІООсм'" 0,230 0,166

Декстрини, г/100см3 0,023 0,019

Вихід спирту, дал/т ум.крохмалю 64,80 66,27

Тривалість зброджування, год 96 72

Із даних таблиці видно, що при зброджуванні основного сусла дріжджами вирощеними на суслі після додаткового оцукрювання у дозрілій бражці зменшились втрати з незбродженим цукром, перш за все, за рахунок спирторозчинпих вуглеводів. Більший або менший вміст цих вуглеводів залежить від фізіологічного стану дріжджів та їх енергії бродіння. Кількість спирту, що синтезувалася дріжджами на суслі з додатковим оцукренням,

перевищувала цей показник в порівнянні з дріжджами на суслі без додаткового оцукрення на 2,27 %.

Збільшення продуктивності дріжджів по спирту не корелює зі зменшенням втрат з незбродженими вуглеводами. Можна припустити, що при досягненні максимального ступеню декстринізації та оцукрення сусла покращується його амінокислотний склад. В цьому випадку зменшуються витрати цукру на синтез біомаси.

Для підвищення активності оцукрюючих ферментів на стадії зброджування сусла бажано вести цей процес при максимально можливій температурі.

Шляхом культивування при субоптимальних температурах і методом цілеспрямованого відбору через монокультуру отримано новий клон дріжджів, який здатний ефективно зброджувати середовище при температурі 37 - 38 °С. За результатами досліджень фізіологічних і морфологічних характеристик клон був ідентифікований як БассЬагогпусез сегеуіїіае штам XII Т. Результати зброджування сусла термотолерантним штамом наведено в табл. 2.

Таблиця 2. - Вплив температури зброджування на показники зрілої бражки

Показник Температура зброджування, °С

30 33 35 36 37 38 39 40

1 2 3 4 5 - 6 7 8 9

Величина рН 4,50 4,50 4,60 4.90 4.70 4.70 4.50 4.00

Кислотність, град. 0,40 0,47 0,48 0,36 0.38 0,38 0.40 0.64

Дійсна концентрація СР. % 2,60 2,70 2,50 2.40 2.50 2,40 3,80 3.90

Концентрація спирту, об.% 7,10 7,10 7,10 7,20 7,10 7,10 7.00 6,40

Заг&чьнний вміст вуглеводів, % 0,19 0,17 0.17 0.17 0.30 0,34 0.54 0.65

Розчинні вуглеводи, % 0,12 0,13 0.1! 0,10 0.28 0,27 0.48 0.55

Нерозчинний крохмаль,% 0,07 0,04 0,06 0.07 0.02 0.07 0.06 0.10

Підвищення температури зброджування від ЗО до 38 °С практично не впливало на основні показники дозрілих бражок. Концентрація спирту була, практично, на одному рівні і складала 7,1-7,2 об.%. Зменшення концентрації спирту мало місце при температурі вищій від 38 °С. Отримані дані по вмісту спирту добре корелюють з кількістю незброджених вуглеводів, де вона збільшувалася також при температурі 39 та 40 °С.

Із урахуванням фізіологічного стану популяції і з метою отримання посівної культури дріжджів в певній фазі росту, засів зброджуваного сусла проводили посівним матеріалом з тривалістю його культивування на протязі 12, 18, 24 годин.

Найвищу біосинтетичну активність по накопиченню спирту проявляли дріжджі з терміном культивування 18 годин, де кількість синтезованого спирту складала 6,9 об.%. Дріжджі з меншим та більшим терміном культивування відповідно синтезували спирту 6,65 та 6,75 об.%. Втрати з незбродженими вуглеводами також були найнижчими при зброджуванні сусла дріжджами з терміном культивування 18 годин.

Дослідження спливу кількості посівного матеріалу на кінетику споживання субстрату, утворення спирту та його вихід показали, що кількість синтезованого спирту достовірно збільшується в міру збільшення кількості посівних дріжджів ( Табл. 3.).

Максимальний вихід спирту 67,9 дал на І тонну умовного крохмалю був досягнутий при кількості засівних дріжджів ЗО % до об'єму сусла що зброджується. Як показали наступні досліди, подальше збільшення кількості посівних дріжджів не мало позитивного впливу на вихід спирту. Слід звернути увагу, що при збільшенні кількості посівних дріжджів зменшилися втрати зі спирторозчинними вуглеводами, що свідчить про більш ефективне зброджування цукру. При досить близьких значеннях вмісту нерозчинного крохмалю та декстринів кількість спирторозчинних вуглеводів зменшилася від 0,22 в контролі до 0,16 г/100см' дозрілої бражки в дослідах.

Таблиця 3. - Вплив кількості посівних дріжджів на показники дозрілої

бражки

Показники Кількість засівних дріжджів, %

10 15 20 25 ЗО

Кислотність, град. 0.45 0.49 0.43 0.44 0.43

рН дозрілої бражки 4.30 4.2 4,3 4.3 4.3

Видима концентрація СР, % 0.5 0,4 0,1 0,1 0,1

Дійсна концентрація СР, % 2.9 2.9 3,0 3.2 3,2

Концентрація спирту, об.% 635 6.80 7,10 7,50 7,95

НезбрОДЖеНІ ВуГЛеВОДИ, г/ІООсм’ В Т.Ч.: 0.28 0.26 0,30 і026~ 0.26

Водорозчинні вуглеводи, г/100смо 0.23 0.25 0,25 0,25 0.23

Нерозчинний крохмаль, г/ІООсм'’ 0.05 0.01 0.05 0.01 0,03

Спирторозчинні вуглеводи, г/100см'’ 0.22 0.16 0,16 0,16 0,16

Декстрини, г/]00см3 0.04 0.1 0,0В 0,09 0.06

Вихід спирту, дал/1 т ум.крохмалю 64.11 65.71 66.21 66.65 67.9

При збільшенні кількості посівних дріжджів зменшилося утворення гліцерину від 1,02 до 0,72 г/100см5, а також кількість летких кислот та складних ефірів від 907,0 до 558,5 мг/дм3 та від 2152,5 до 1399,7 мг/дм3, відповідно, що також сприяло підвищенню виходу спирту ( Рис. 1).

Кі_іьк.сіь зхівшіч лріжімв, %

Кількість іасівіиіч дрьклжш. %

Кількість засівних дріжджів. %

В

Рис.І. Вплив кількості засівних дріжджів на вміст побічних продуктів бродіння а - гліцерин;

б - леткі кислоти; в - складні ефіри.

Експериментальні дані по накопиченню спирту та споживанню субстрату не описуються відомими залежностями Михаеліса-Ментен або Ієрусалимського, тому для цих показників розроблено математичну модель зброджування.

Для питомої швидкості утворення спирту виведена експериментальна залежність: Vp = 0,0063 • S • X / (2,81 - S + S2 / 6,9), де Vp - швидкість утворення спирту, % об./ год. s - концентрація цукру в середовищі, г/100см3 X - кількість засівних дріжджів, % до об'єму сусла.

Динаміка утворення спирту описується формулою:

Р = Ехр [2,148 + 3,856 /X - 97,982] • (х • t), де

Р - концентрація спирту, об.%

t - термін зброджування, год

X - кількість засівних дріжджів, % до об'єму сусла.

Динаміка та швидкість споживання субстрату визначається за допомогою формул :

S= 1 /(0,1052+ 0,024-1), dS / dt — 0,024 / (0,1052 + 0,094 t f

Незалежно від кількості посівних дріжджів, швидкість споживання субстрату була майже однаковою і на 24 годину культивування вміст цукру в зброджуваній рідині був на рівні 1,17- 1,32 г/100см3.

Але питома швидкість утворення та кількість синтезованого спирту була тим більша( Рис. 2,3), ним більша була кількість посівних дріжджів.

Тривалість зброджуваняя, год

Рис.2. Динаміка утворення спирту при різній концентраціі засівних

дріжджів

Тривалість зброджування, год

Рис.З. Питома швидкість утворення спирту

Виходячи з отриманих даних, можна зробити висновок, що перші стадії етанольного бродіння та утворення проміжних продуктів протікають

значно швидше, ніж утворення спирту із проміжних продуктів. Збільшення кількості посівних дріжджів підвищує швидкість утворення спирту із проміжних продуктів і, можливо, цей процес протікає більш економічно, що призводить до збільшення виходу спирту.

Досліджено антибактеріальну активність нового біоциду “Каморан” HJ 100 по відношенню до тест-груп мікроорганізмів (Bacillus, Lactobacillus і Bacterium), які інфікують спиртове виробництво. Встановлено, що біоцид в кількості 250 г/100 м3 середовища проявляє бактеріостатичну, а 300 г/100 м3 бактеріцидну дію на змішані бактерійні популяції в умовах спиртового зброджування. При цьому не впливає на ріст і ферментативну активність дріжджів і ферментів амілазного комплексу.

У четвертому розділі наведено параметри та норми технологічного режиму культивування виробничих дріжжів та зброджування сусла, отриманих при впровадженні розробленої технології в умовах Сторонибабського спиртового заводу.

~ Узагальнюючи результати виробничих випробувань (Табл. 5) можна зробити висновок, що удосконалення умов культивування дріжжів забезпечило їх високу біосинтетичну активність і зменшило витрати зброджуваних цукрів з нерозчинним крохмалем.

Таблиця 5 -

Показники зброджування сусла

Показники Сировина

Пшениця Кукурудза

1 2 3

Виробничі дріжджі

Видима концентрація СР, % 8,0 7,3

Вміст спирту, % об. 4,2 4,8

Незброджені цукри, г/100 см3вт.ч. 4,37 4,53

Розчинні цукри 4,06 3,97

Нерозчинений крохмаль 0,28 0,50

Зріла бражка

рН бражки 4,65 4,40

Кислотність, град 0,45 0,50

Видима концентрація СР, % 0,0 -1,0

Дійсна концентрація СР, % 4,0 2,9

Концентрація спирту, об.% 9,5 9,85

Незброджені цукри, г /100 см в т.ч. 0,34 0,18

Водорозчинні цукри 0,26 0,15

Спирторозчинні цукри 0,254 0,12

Декстрини 0,01 0,03

Нерозчинений крохмаль 0,07 0,02

13

висновки

1. Науково та експериментально обгрунтовано залежність біосин-тетичної активності дріжджів від вуглеводного та амінокислотного складу сусла, отриманого при гідроферментативній обробці сировини. Розроблено і реалізовано у виробництві технологічний режим культивування виробничих дріжджів, який забезпечує підвищення виходу спирту на 1,7 дал / т умовного крохмалю.

2. Шляхом культивування дріжджів при субоптимальних температурах методом клонування та спрямованого відбору отримано штам дріжджів, здатний ефективно зброджувати сусло при температурі 37 - 38 °С.

3. Вивчення динаміки накопичення розчинних вуглеводів при гідроферментативній обробці зерна пшениці і кукурудзи свідчить проте, що при вибраній в промисловості тривалості процесу кількість гідролізованого крохмалю відповідно складає 93 - 96 % та 83 - 84 %.

4. Розроблено режим приготування сусла для культивування виробничих дріжджів з додатковим оцукренням, який забезпечує ступінь декстринізації на рівні 98 - 99,7 % і підвищує продуктивність дріжджів по спирту на 2,3 % відносних.

5. Встановлено, що ріст дріжджів та швидкість зброджування сусла, оцукреного ферментними препаратами, лімітується амінокислотами, вміст яких складає 34 - 35 мг/ 100 см3, що у 2,2 рази менше в порівнянні з суслом, яке оцукрене ферментами солоду. Внесення в сусло кукурудзяного екстракту в кількості 4 кг на 1 м" усуває лімітування дріжджів амінокислотами і підвищує їх ферментативну активність.

6. Експериментально обгрунтовано доцільність заміни води для приготування замісу фільтратом барди. Показано, що використання її фільтрату в кількості 30 % замість води сприяє підвищенню фізіологічної активності дріжджів та зменшенню втрат цукру в процесі зброджування сусла.

7. Методом математичного планування експерименту оптимізовано дози азотного і фосфорного живлення при зброджуванні сусла, оцукреного ферментними препаратами, і отримано рівняння регресії, яке адекватно описує залежність рівня синтезу спирту від вказаних факторів.

8. Доведено, що найбільш економічний метаболізм вуглеводів при періодичному зброджуванні сусла забезпечується засівними дріжджами, які знаходяться в кінці стаціонарної фази росту.

9. Встановлено, що концентрація синтезованого спирту достовірно збільшується по мірі збільшення об'єму засівних дріжджів (до ЗО %) по відношенню до об'єму зброджуваного сусла. Розроблено математичну модель зброджування та виведено експериментальну залежність споживання субстрату і утворення спирту в умовах періодичного процесу від кількості засівних дріжджів.

10. Рекомендовано з метою забезпечення асептики у виробництві спирту' застосовувати новий біоцид “Каморан”, який ефективно інгибує

змішані бактеріальні контамінанти на всіх стадіях виробництва без зниження активності дріжджів і ферментів амілазного комплексу і дає змогу збільшити вихід спирту за рахунок зменшення витрат вуглеводів на кислотоутворення при зброджуванні сусла.

11. Виробничі випробування на Сторонибабському спиртовому заводі підтвердили високу ефективність розробленої технології. Економічний ефект від впровадження технології культивування виробничих дріжджів становить 94,2 тис. гривень на рік. Результати виробничих випробувань використані для розробки технологічної інструкції по підготовці середовища, культивування дріжджів та зброджування сусла.

Науково-практичний рівень і економічна ефективність виробництва спирту, які досягнуті завдяки впровадженню запропонованих у дисертаційній роботі технічних рішень не є граничними.

Застосування більш продуктивних штамів дріжджів здатних зброджувати крохмаль, оптимізація складу середовищ для їх культивування, впровадження безперервних процесів зброджування можуть значно підвищити ефективність виробництва

Основні положення дисертації викладено у таких публікаціях.

1. Янчевский В.К., Олійнічук С.Т., Сосницький В.В. Экономические и технологические аспекты проблемы развития спиртовой и ликеро-водочной промышленности Украины// Вісник аграрної науки .- 1998.-№ 10.-С.57-61.

2. Олійнічук С.Т., Сосницький В.В., ГкаченкоА.Ф. Порівняльна оцінка різних штамів дріжджів при зброджування сусла з крохмалевмісної сировини // Харчова і переробна промисловість - 1999.-№ 4.-С.20-21.

3. Повторне використання барди для приготування замісу / Олійнічук С.Т., Псалом П.Г., Веровчук М.М., Бойко П.М.,Сосницький В.В. //Харчова і переробна промисловість. - 1999.-№ 7. -С.22-23.

4. Олійнічук С.Т., , ТкаченкоА.Ф., Сосницький В.В. Новий біошщ «Камо-ран» для антисептування технологічних середовищ //Харчова і переробна промисловість.- 1999.-№ 8.-С.18-19.

5. Патент 9556 А України С 12 Р 7/06 Спосіб одержання етилового спирту з крохмалистої сировини / Бойко П.М., Лесюк Є.В., Сосницький В.В., Воловодівський В.Г1., Новосад В.Д.- Опубл. 30.09.96, Бюл.№ 3.

6. Патент 13491 України С 12 Р 7/06 Спосіб одержання етанолу з крохмалистої сировини / Сосницький В.В., Воловодівський В.П., Прохоренко В.1., Клявлін В.В., Сватков Л.Б., Гадяцький Л.М., Худик Б.І., Каналош О.А., Шуляковський Г.Ф., Барзинський В.П. - Опубл. 25.04.97 , Бюл.№ 2 .

7. Залежність стабільності ферментів від величини активної кислотності при гідроферментативній обробці крохмалевмісної сировини / Олійнічук С.Т., Псалом П.Г., Омельянчик Т.К., Сосницький В.В., Бойко П.М. // Тези доповідей III Міжнародної науково-практичної конференції "Современные информационные и энергосберегающие технологии жизнеобеспечения человека". -Кам'янець-Подільский: - 1998. - С.52.

8. Динаміка накопичення розчинних вуглеводів при гідроферментативній обробці крохмалевмісної сировини / Олійнічук С.Т., Псалом П.Г., Гайдай Л.І., Веровчук М.М., Сосницький В.В., Бойко П.М. // Там же. - С.53-54.

9. Використання фільтрату барди для приготування замісу / Олійнічук С.Т., Гайдай Л.І., Сосницький В.В., Бойко П.М. .11 Там же,- С.55.

Крім того одержано позитивні рішення:

Заявка № 95041484, МПК' С12Р 7/06 Спосіб безперервної підготовки крохмалистої сировини до зброджування / Бойко П.М., Сосницький В.В., Воловодівський В.П. - Рішення про видачу патенту від 06.03.96.

Заявка № 98052351, МПК6 С12 С 7/00 Спосіб зброджування сусла із крохмалевмісної сировини / Олійнічук С.Т., Сосницький В.В., Псалом П.Г., Бойко П.М. - Рішення про видачу патенту від 07.05.98.

АНОТАЦІЇ

Сосницький В.В. Розробка технології культивування виробничих дріжджів при переробці зерна в спирт з використанням концентрованих ферментних препаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.07 - технологія продуктів бродіння - Український державний університет харчових технологій, Київ, 2000.

Розроблена наукоізо-обгрунтована технологія культивування виробничих дріжджів для спиртового виробництва із врахуванням вуглеводневого та амінокислотного складу середовища.

Встановлено, що ріст дріжджів та швидкість зброджування сусла, оцукреного ферментними препаратами, лімітується амінокислотами. Досліджено вплив різних джерел амінокислот на ферментативну активність дріжджів. Встановлено, що найвища продуктивність дріжджів по синтезу спирту забезпечується при застосуванні кукурудзяного екстракту.

Приведені оптимальні параметри культивування дріжджів. Досліджено вплив лімітуючих та інгібуючих факторів на фізіологічну активність дріжджів та вихід спирту. Розглянуто умови асептики виробництва з застосуванням нового біоциду “Каморан”. За результатами роботи розроблено технологічну інструкцію по культивуванню виробничих дріжджів на середовищах, оцукрених ферментними препаратами.

Ключові слова: вуглеводи, амінокислоти, дріжджі, культивування,

середовище.

Сосницкий В.В Разработка технологии культивирования производственных дрожжей при переработке зерна в спирт с использованием концентрированных ферментных препаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.07 технология продуктов брожения. -Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию углеводного и аминокислотного состава сусла, осахаренного концентрированными ферментными препаратами, и усовершенствованию технологических режимов культивирования производственных дрожжей при производстве спирта из крахмалистого сырья.

Изучение динамики накопления углеводов в процессе гидроферментативной обработки зерна пшеницы и кукурузы показала, что количество гидролизованного крахмала на стадии растворения, соответственно, составляет 93 - 96 и 83 - 84 %. Полный гидролиз крахмала кукурузы достигается при продолжительности осахаривания 25, а пшеницы 15 часов, при гидромодуле 1:3,5. Определена зависимость между полнотой осахаривания сусла и продолжительностью сбраживания.

Экспериментально установлено, что использование бактериалыюй а -амилазы для растворения крахмала и глюкоамилазы для его осахаривания обедняет сусло по содержанию аминокислот, необходимых для жизнедеятельности дрожжей. В этой связи рост дрожжей и скорость анаэробного сбраживания сусла, осахаренного ферментными препаратами, лимитируется аминокислотами, содержание которых составляет 34-35 мг/100 см3, что в 2,2 раза меньше в сравнении с суслом при осахаривании ферментами солода. По этой причине бродильная активность дрожжей при брожении может привести к полной остановке процесса. После адаптационного периода дрожжи востанавливают свои бродильные функции, однако их продуктивность по спирту существенно снижается. Принятые в диссертационной работе технологические решения возврата фильтрата барды на стадию приготовления замеса и обогащение среды для культивирования посевных дрожжей кукурузным экстрактом позволили повысить скорость роста дрожжей и их бродильную активность.

Оптимизация состава среды для культивирования засевных дрожжей по содержанию азота, фосфора и ростовых веществ дала возможность снизить потери углеводов с несброженным сахаром, на образование вторичных и побочных продуктов при анаэробном сбраживании и повысить выход спирта.

Определена зависимость бродильной активности засевных дрожжей от полноты осахаривания сусла, используемого для их культивирования. Разработан технологический режим подготовки сусла, обеспечивающий соотношение глюкоза: декстрины в среде 3,5 : 1, что устраняет лимитирование роста дрожжей источником углерода.

Результаты исследований разных рас дрожжей позволили сделать вывод, что с целью повышения активности осахаривающих ферментов в процессе анаэробного сбраживания сусла процесс целесообразно осуществлять при температуре 35 - 38 °С с использованием нового термотолерантного штамма дрожжей.

Исследование влияния количества и качества посевных дрожжей показало, что используемый в промышленности режим культивирования производственных дрожжей приводит к удлинению лаг-фазы при основной

ферментации и повышенным потерям сбраживаемых сахаров на эндогенный метаболизм.

Установлено, что повышение продуктивности производственных дрожжей достигается в конце стационарной фазы роста и при величине посева 30 % от объема сусла.

На основании экспериментальных исследований доказано, что новый биоцщ “Каморан” оказывает бактериостатическое действие на контаминирующую микрофлору на всех стадиях производственного процесса, не оказывая отрицательного влияния на активность дрожжей и ферментов амилазного комплекса. Применение нового антисептика обеспечивает повышение выхода спирта за счет потерь углеводов на сверхнормативное нарастание кислотности при сбраживании осахаренного сусла.

Совокупность предложенных в диссертационной работе технологических решений позволила увеличить выход спирта на 1,7 дал из одной тонны условного крахмала, что нашло свое подтверждение в производственных условиях.

Акт внедрения разработанной технологии и нормативно-технической документации в промышленность свидетельствуют о результативности принятых решений, как по качеству, так и по экономической эффективности.

Ключевые слова: углеводы, аминокислоты, дрожжи, культивирование, осахаривание, ферменты, сбраживание.

Sosnytskyy V.V. The technology of cultivation of yeast in the alcohol fermentation of grain with using of concentrated enzymes.- Manuskript.

Dissertation present ones thesis for a Candidate of Technical Sciences degree in a field 05.18.07- The technology of products of fermentation. Ukrainian State University of Food Technologies, Kyiv, 2000.

The scientific substantiation technology of cultivation of yeast in the alcohol fermentation was elaborated with the regard of the amino acid and carbohydrate composition of medium. It was determined, that the yeast growth and the speed of concentrated enzymes saccharificated wort is limited by the aminoacid. The influence of the different aminoacid sources on the yeast fermentation activity was produced. The biggest alcohol yield is guarantee in a case of using of maize extract.

The optimal parameters of cultivation of yeast was produced. Influence of limitative and inhibitory factors on the alcohol yield was investigated. The asepsis condition of production with using of new biocyde “Camoran” was analyzed. The technological instruction of cultivation of yeast in the alcohol fermentation in the medium, which was saccharificated by concentrated enzymes.

Key words: carbohydrate, amino acid, yeast, cultivation, medium.