автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с использованием янтарной кислоты

На правах рукописи

РЯБОВА СВЕТЛАНА МИХАЙЛОВНА

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ РЖИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯНТАРНОЙ КИСЛОТЫ

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических

активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва 2013

005541841

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Крикунова Людмила Николаевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

член-корр. РАСХН Римарева Любовь Вячеславовна зам. директора ГНУ ВНИИПБТ РАСХН

кандидат технических наук Жабкина Татьяна Николаевна

специалист по качеству службы качества Производственно-технологического департамента ОАО «Росспиртпром»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет технологий и управления» им. К.Г.Разумовского

Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 г. в 10-00 часов на заседании Диссертационного совета Д 006.025.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 119021, Россия, г. Москва, ул. Россолимо, д.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИПБиВП

Автореферат разослан «25» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Харламова Л.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди приоритетных направлений в спиртовой отрасли РФ активно развивается направление, посвященное совершенствованию технологий, основанных на подготовке сырья к сбраживанию с использованием низкотемпературных схем его переработки. Наиболее перспективной является схема, основанная на механико-ферментативном способе. Однако, данный способ, несмотря на преимущества перед способом с развариванием, не позволяет использовать собственный ферментный комплекс сырья, что особенно важно, если применяется зерно ржи, характеризующееся высокой активностью амилаз, протеаз и ферментов гемицеллюлазного комплекса. В зарубежной практике широко используют способ «холодного затирания», при котором температура на стадии «одно-тепловой обработки не превышает 60-70°С, что позволяет гидролизовать полимеры зерна и под действием собственной ферментной системы. Данный способ не реализован в практике отечественных спиртовых предприятий и связано это с рядом причин.

Во - первых, способ «холодного затирания» предъявляет повышенные требования к исходным микробиологическим характеристикам сырья. Применяемое на спиртовых предприятиях РФ фуражное зерно обычно характеризуется повышенной микробиологической обссмененностыо.

Во - вторых, данный способ предусматривает использование помола, характеризующегося однородностью и большей степенью измельчения, чем в традиционных схемах переработки сырья. Получение такого помола на отечественных спиртовых предприятиях сопряжено с трудностями.

В - третьих, известно, что определенные анатомические части зерновки, содержащие такие компоненты как клетчатка, гемицеллюлозы, определенные фракции белков ухудшают технологический процесс получения сусла.

Исходя из вышесказанного, при разработке технологии этанола из ржи на основе метода «холодного затирания» необходимо провести целенаправленное изменение исходных свойств сырья. С целью максимального использования внутренних резервов ржи в работе предусматривались исследования по получению сусла с использованием янтарной кислоты. Выбор указанного направления основан на данных о позитивном влиянии янтарной кислоты в ряде технологических процессов бродильных производств. Кроме того, в литературе в последнее время активно обсуждается вопрос о перспективности применения янтарной кислоты при производстве кормопродуктов. Отход спиртового производства — барда в настоящее время используется для их выработки. Янтарная кислота, как нелетучий компонент технологической среды, будет концентрироваться именно в данном отходе производства, что, как можно предположить, повысит его биологическую ценность.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с целенаправленно измененными методом частичного шелушения зерна технологическими свойствами на основе способа «холодного затирания» и использования янтарной кислоты.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

- изучить влияние способа частичного шелушения ржи на структурно-механические свойства, микробиологические и биохимические характеристики зерна;

- провести сравнительную характеристику низкотемпературных способов получения ржаного сусла;

- определить значимые параметры, влияющие на показатели качества ржаного сусла, полученного по методу «холодного затирания», в том числе с использованием янтарной кислоты;

- выявить влияние янтарной кислоты на активность эндогенных и микробных амилаз, на углеводно-амилазный комплекс сырья и свойства образцов крахмала;

- изучить процесс сбраживания ржаного сусла, выявить влияние концентрации янтарной кислоты на развитие спиртовых дрожжей;

- определить факторы, влияющие на процесс сбраживания ржаного сусла, полученного по методу «холодного затирания»; провести сравнительный анализ образцов бражки на содержание этилового спирта и вредных летучих примесей;

- оптимизировать процесс сбраживания ржаного сусла;

- разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола из ржи, предусматривающую частичное шелушение зерна, использование способа «холодного затирания» и применение янтарной кислоты.

Научная новизна. В результате выполненных комплексных исследований выявлено влияние частичного шелушения ржи на изменение структурно-механических свойств зерна, его микробиологических характеристик и состояние углеводно-амилазного комплекса сырья.

На основании сравнительного анализа показателей качества сусла научно обоснованы значимые параметры процесса получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания».

Впервые исследован процесс получения ржаного сусла с использованием янтарной кислоты. Получены с применением системы для микроскопии LEICA DMLM новые научные данные о влиянии янтарной кислоты на изменение фермент-субстратной специфичности крахмала сырья.

На модельных средах изучено влияние концентрации янтарной кислоты на метаболизм развития спиртовых дрожжей расы XII. Выявлены отличия в изменении аминокислотного состава, содержании отдельных катионов и органических кислот.

Исследованы процессы и научно-обоснованы режимы получения и сбраживания сусла из шелушенной ржи, на основании которых предложен новый высокоэффективный способ производства этилового спирта, на который подана заявка Х°2013127802 на получение Патента РФ.

Практическая значимость. Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из ржи аппаратов для частичного шелушения, позволяющих целенаправленно изменять технологические свойства зерна:

- снижать прочностные свойства ржи и соответственно получать мелкие и равномерные помолы из зерна без превышения энергозатрат против контроля;

- улучшать микробиологические характеристики сырья;

- повышать ферментативную атакуемость крахмала сырья, что приводит к снижению норм внесения ферментных препаратов на 25-30%.

Разработана новая высокоэффективная технология этанола из ржи, основанная на получении сусла по методу «холодного затирания» и использовании янтарной кислоты, позволяющая снизить на 20-25% энергозатраты на стадии получения сусла за счет снижения температурного режима; повысить выход спирта из 1 тонны условного крахмала на 2,4 дал, из 1 тонны зерна - на 0,3 дал; снизить содержание в бражке вредных летучих примесей в среднем на 30%, что при равных энергозатратах на стадии ректификации дает возможность повысить сортность спирта.

Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии этанола в условиях ООО «Агромаш».

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 15,12 млн.руб при сроке окупаемости капитальных затрат 1,5 месяца.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях: III всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2010); конференция молодых ученых и специалистов «Технологии и производственный менеджмент» (Москва, 2011), всероссийская научно-практическая конференция «Пищевые ингредиенты и инновационные технологии в производстве продукции здорового питания» (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 10 публикациях, включая 7 статей в научных журналах рекомендованных ВАК. Подана 1 заявка на получение Патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 207 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 150 страницах, содержит 17 рисунков и 47 таблиц.

1 Обзор литературы В обзоре литературы приведены данные по характеристике основного сырья спиртового производства, включая свойства ржи, особенности ее биохимического состава. Приведены сведения о физических методах, позволяющих целенаправленно изменять исходные свойства зерна. Обобщены данные о возможных способах совершенствования технологий этанола из зерна. Представлены сведения о применении янтарной кислоты в сельском хозяйстве и бродильных производствах.

2 Экспериментальная часть 2.1 Материалы и методы исследования

Исследования осуществляли в лабораторных и промышленных условиях на базах ФГБОУ ВПО МГУПП, ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов РАСХН, ГНУ ВНИИ ПБиВП РАСХН, ООО «Агромаш». Объектом исследования являлось фуражное зерно ржи урожаев 2010-2012 года. В работе применяли ферментные препараты зарубежного производства: Термамил SC, Амилаза NT4000 N, Амилаза NT4000 G, Глюкамил Л 706, Шеарзим 500 L, Вискоферм L, Нейтраза 0,8 L.

Анализ биохимических и структурно-механических показателей исходного и шелушенного зерна ржи проводили с использованием: поляриметрического метода Эверса для определения условной крахмалистости зерна, метода оценки гранулометрического состава помолов и расчета модуля крупности, метода анализа углеводно-амилазного комплекса на приборе «Амилотест АТ-97», калориметрического метода определения АС, метода Нопова-Шаненко - декстринов.

Исследование структуры образцов крахмала, изменений в нем при ферментативной обработке проводили с применением системы для микроскопирования LEICA DMLM.

Содержание основных аминокислот, катионов и органических кислот в пробах устанавливали с использованием методов высокоэффективной жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза. Анализ полупродуктов спиртового производства проводили общепринятыми в отрасли методами; определение летучих примесей - методом газовой хроматографии.

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 Изменение свойств зерна методом шелушения

Сравнительная характеристика разных способов выделения дифференцированных фракций с позиции оценки потерь крахмала сырья с фракцией периферийных частей зерна показала преимущества способа шелушения. Вместе с тем, потери крахмала с выделенной фракцией шелухи при 15%-ти снятия внешних слоев составляли для ржи 5,5-7,0%. Данная величина потерь приводит к снижению выхода этанола из единицы сырья несмотря на положительный эффект от выведения из технологического процесса таких компонентов как клетчатка и гемицеллюлозы.

Поэтому в настоящей работе щучено влияние влажности зерна ржи на потери крахмала с фракцией шелухи при меньшем проценте ее снятия 2,0-10,0%.(рис.1)

Рисунок 1—Влияние влажности зерна ржи и степени его шелушения на потери

крахмала с фракцией шелухи Установлено, что максимальными потерями характеризуется процесс шелушения сухого зерна ржи. При большей влажности зерна и снятии до 5%-ов шелухи потери не превышают 1,5% от общего содержания крахмала в сырье, то есть находятся на уровне допустимых значений.

Известно, что с позиции дробления рожь является сложным сырьем. Это объясняется структурными особешюстями и наличием в ней слизей, обусловливающих преобладание пластических деформаций. Установлено, что переработка шелушенного зерна позволяет получить помолы с меньшим значением модуля крупности, то есть более качественные по гранулометрическому составу, что особенно важно для схем, основанных на «холодном затирании».(табл.1)

Таблица 1 - Оценка состава помола по показателю модуль крупности

Образец зерна Модуль крупности (М)

30 сек 60 сек 90 сек 180 сек 240 сек

Нешелушенная рожь 0,74 0,56 0,36 0,26 0,17

Шелушенная рожь 0,68 0,50 0,32 0,23 0,18

Кроме структурно-механических свойств сырья для данных схем, очень важными являются его микробиологические характеристики. Показано, что шелушение зерна приводит к улучшению данных характеристик. Показатель ОМЧ при использовании МПА снижается в среднем в два раза (табл.2). Исследование фракции шелухи подтверждает, что в поверхностных слоях зерновки сосредоточена подавляющая часть микроорганизмов сырья. Максимальное количество микроорганизмов обнаружено в пробах шелухи, соответствующих 5%-ному снятию. Также отмечено, что увеличение процента снятия шелухи с 5%-ов до 10-20%-ов несущественно повышает микробиологические характеристики сырья.

Таблица 2 — Влияние степени шелушения ржи на микробиологические

характеристики

Среда ОМЧ, тыс. КОЕ/г

Нешелушенное зерно Шелушенное зерно (степень шелушения, %) Фракции шелухи (процент снятия, %)

5 10 20 5 10 20

МПА 790 400 340 350 СР* 1920 1620

СА 1312 640 460 300 СР* 2880 1730

СР*-сплошной рост

Известно, что определенные компоненты биохимического состава зернового сырья, такие как отдельные группы гемицеллюлоз, белков, проявляя экранирующее действие, могут негативно влиять на доступность крахмала сырья к его ферментативному гидролизу. Именно эти биополимеры ржи концентрируются в поверхностных слоях зерновки и отделяются с фракцией шелухи. Состав данных компонентов сырья и их количество зависят от степени шелушения ржи.

Выявлено влияние 5%-ного снятия шелухи с зерна ржи на доступность крахмала к действию амилолитических ферментов, (табл.3) Гидролиз крахмала сырья осуществляли как под действием собственных зерновых амилаз ржи (Вариант I), так и при совместном действии зерновых и микробных амилаз (Вариант II).

Таблица 3 - Влияние шелушения ржи на гидролиз крахмала сырья амилолитическими ферментами разжижающего действия

Время гидр., мин Содержание декстринов, мг/см3

Нешелушенная рожь Шелушенная рожь

Вариант 1* Вариант 1** Вариант И** Вариант 1* Вариант 1** Вариант II**

20 0,186 0,139 0,114 0,204 0,176 0,134

40 0,254 0,156 0,135 0,231 0,185 0,171

60 0,248 0,149 0,220 0,247 0,182 0,201

♦-гидромодуль 1:50; * »-гидромодуль 1:4

Установлено, что на процесс гидролиза крахмала при гидромодуле 1:50

практически не оказывает влияние вид сырья. Напротив, проведение процесса при

принятом в спиртовой отрасли гидромодуле 1:4 зависит от состава сырья. Содержание декстринов в пробах, полученных из шелушенной ржи, превышает их значение для контроля в среднем на 15-25%.

Проведенная в работе оценка состояния углеводно-амилазного комплекса зерна, от которого в значительной степени зависит реологическое поведение обрабатываемых сред на стадии получения замесов и их водно-тепловой и ферментативной обработки, показала, что использование шелушенной ржи приводит к изменению основных параметров амилограмм. (табл.4) Так Ауд, характеризующая затраты на разрушение крахмального геля, снижается при использовании шелушенной ржи с 0,430 до 0,331 (Вариант!) и с 0,320 до 0,306 (Вариант II).

Таблица 4 - Влияние шелушения ржи на параметры амилограмм

Образец зерна Вариант Энергия деструкции крахмала(Ауд), Дж/г Максимальное усилие перемешивания, Н Температура водно-мучной суспензии, °С

Нешелушенная рожь Вариант 1 0,331 2,01 71,5

Вариант 2 0,306 1,35 71,0

Шелушенная рожь Вариант 1 0,430 1,87 73,5

Вариант 2 0,320 1,17 71,0

Таким образом, исследование микробиологических показателей, структурно-механических свойств и биохимических характеристик ржи показало, что метод частичного шелушения приводит к целенаправленному изменению исходных технологических свойств сырья.

2.2.2 Сравнительная характеристика низкотемпературных способов получепия

ржаного сусла

В работе исследованы два низкотемпературных способа получения сусла:

- мехаиико-ферментативный способ, проводимый в соответствии с режимами Регламента;

- способ «холодного затирания», соответствующий принятым температурным режимам работы немецких исследователей.

Анализ показателей качества контрольного и опытного образцов сусла показал, что метод «холодного затирания» при использовании шелушенной ржи имеет преимущество перед переработкой исходного сырья (повышается концентрация сусла, увеличивается содержание общих редуцирующих веществ (ОРВ), растворимого белка). Однако, при равных параметрах ведения процесса (степень дробления сырья, норма внесения основных ферментных препаратов), опытный образец сусла не достигает по основному показателю (ОРВ) уровня контроля.

2.2.3 Исследование процесса получения сусла из шелушенной ржи по методу

«холодного затирания»

Характер и глубина процессов, происходящих на стадии получения сусла, зависят от способов и режимных параметров переработки сырья, а также в значительной степени определяются его технологическими свойствами. Последние, как установлено в предыдущих разделах работы, существенно меняются в результате шелушения ржи, что должно быть учтено при его переработке. В настоящей работе при получении сусла из шелушенной ржи исследовали ряд факторов.

Выбор ферментного препарата разжижающего действия

Получение ржаного сусла по методу «холодного затирания» проводили с использованием трех ферментных препаратов разжижающего действия: Термамил БС

- источник бактериальной термостабильной а-амилазы; Амилаза НТ 4000 в, содержащая бактериальную мезофильную а-амилазу; Амилаза НТ 4000 N - источник грибной мезофильной а-амилазы. Эксперименты с использованием первых двух ферментных препаратов проводили при естественном рН замеса (6,0-6,5), последнего

- с подкислением замеса до рН 5,0-5,5.

Установлено (табл.5), что среди исследованных ферментных препаратов, лучшими показателями характеризуется сусло, полученное с использованием ферментного препарата Термамил БС. Данный препарат является кальций независимым и в случае недостатка иона Са+2 в технологической воде эффективнее проводит процесс гидролиза крахмала по сравнению с ферментами, требующими определенного содержат« ионов кальция в среде.

Таблица 5 - Выбор ферментного препарата разжижающего действия

Показатели качества Термамил БС Амилаза НТ 4000 в Амилаза НТ 4000 N

СВ,% 16,1 16,5 15,8

РВ,% 9,9 8,7 8,5

ОРВ,% 12,5 12,9 10,8

Белок, мг% 60,3 64,2 64,5

Выбор степени дробления зерна

Известно, что степень дробления зерна оказывает существенное влияние на процесс получения сусла. Так, переход от схем, предусматривающих разваривание сырья, к низкотемпературным схемам механико-ферментативной переработки, требует использования помола с характеристиками не ниже 80-85% прохода через сито ¿=1 мм. По данным зарубежных исследователей, для получения сусла по методу «холодного затирания» используют помол по характеристикам, приближающимся к тонине муки (100% проход через сито <1=0,56 мм).

Данные таблицы 6 позволяют рекомендовать для переработки шелушенной ржи степень дробления, характеризующуюся 100% проходом через сито (1=1 мм. Энергозатраты для получения такого помола из сырья, с целенаправленно измененными структурно-механическими свойствами не превышают энергозатрат для получения помола из исходной ржи с характеристиками 80-85% прохода.

Таблица б - Выбор степени дробления ржи для метода «холодного затирания»

Показатели качества Степень дробления ржи, проход через сито (1,мм

80% прохода через «1=1,0 100% прохода через ¿=1,0 100% прохода через ¿=0,8 100% прохода через <1=0,56

СВ, % 16,5 16,8 16,8 16,9

РВ,% 8,8 9,4 11,5 10,0

ОРВ,% 12,8 13,2 13,3 13,0

Белок, мг% 66,7 70,4 80,1 75,7

Выбор нормы внесения ферментных препаратов разжижающего и

осахаривающего спектров действия В данной серии экспериментов в качестве разжижающего ферментного препарата использовали Термамил ЭС (норма внесения от 0,05 до 0,4 ед.АС/г), осахаривающего - Глюкомил Л 706 (норма внесения от 2 до 10 ед.ГлС/г).

Установлено, что снижение нормы внесения разжижающего препарата против рекомендованной до 0,05 ед.АС/г условного крахмала сырья, приводит к ухудшению технологических показателей качества сусла. Использование Термамил ЙС в количестве 0,1 до 0,4 ед.АС/г практически не влияет на все исследованные показатели, поэтому с экономической точки зрения принимается норма 0,1 ед.АС/г.

Рекомендуемая норма внесения ферментного препарата осахаривающего действия при получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания» составляет 4 ед.ГлС/г условного крахмала сырья (в традиционных схемах - 6,5-7,5ед.ГлС/г). Окончательный выбор нормы осахаривающего ферментного препарата может быть сделан после проведения процесса сбраживания.

Выбор температурпо-времеппогорежима Режимы способа «холодного затирания», предложенные в работе немецких исследователей, предусматривают проведение процесса получения сусла с использованием двух температурных пауз:

пауза 1 — температура 45-50 °С, продолжительность 30 мин; пауза 2 - температура 60-65 °С, продолжительность 3,5 часа. Общая продолжительность процесса соответствовала длительности получения сусла по механико-ферментативному способу. Рожь, как известно, обладает широким спектром гидролитических ферментов, в том числе амилолитического, протеолитического и цитолитического действия. Последние два проявляют большую

активность при температурах соответствующих первой паузе, амилолитические, напротив, второй паузе. Для выявления оптимального температурно-временного режима при их общем воздействии на полимеры сырья в работе меняли длительность данных пауз (табл.7) при сохранении общей продолжительности процесса (4ч).

Таблица 7 - Выбор температурно-временного режима получения сусла по методу «холодного затирания»

Показатели качества Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5

СВ, % 16,5 16,6 16,6 16,7 16,6

РВ,% 9,6 10,8 11,1 12,0 12,3

ОРВ, % 13,0 13,0 13,5 14,1 13,7

Белок, мг% 64,8 84,3 92,6 122,0 125,1

Вариант 1 - 0,5 ч при 1=50", 3,5 ч при £=65° ;Вариант 2 -1,0 ч при 1=50", 3,0 ч при 1=65 Вариант 3 - 1,5 ч при *=50°, 2,5 ч при 1=650;Вариант 4 - 2,0 ч при 1=50°, 2,0 ч при £=65°

Анализ представленных данных показывает, что лучшим по показателям качества является сусло варианта 4, при котором длительность первой паузы при г==50° составляет 2,0 ч, длительность второй паузы при 1=65° также 2,0ч.

Таким образом, рекомендованы следующие параметры получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания»: помол — 100% проход через сито с]=1мм; норма внесения Термамила 8С - 0,1 ед.АС/г условного крахмала; норма внесения Глкжомила Л 706 - 4 ед.ГлС/г условного крахмала; режим получения сусла - пауза 1 (1=45-50 °С, т=2ч), пауза 2 (1=60-65 °С, т=2ч).

В связи с тем, что шелушение зерна приводит к увеличению массовой доли крахмала в сырье, для получения сопоставимых результатов двух вариантов получения сусла: по механико-ферментативному способу (Контроль) и по способу «холодного затирания» (Опыт I, Опыт П), расчет гидромодуля производился не только по массе, но и по содержанию крахмала в пробе. Принималось, что при равном содержании крахмала в пробе гидромодуль для образцов Контроль, Опыт I составлял 1:4, Опыт П -1:4,2.

Данные, представленные в таблице 8 показывают, что предложенные параметры получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания» (Опыт I) позволяют по ряду показателей превысить значения контроля. Однако, в образце Опыт II содержание ОРВ - основного показателя, характеризующего качество сусла, ниже значения контроля (13,8 против 14,5%). Получение сусла с более высокими качественными характеристиками может предусматривать применение дополнительных нетрадиционных технологических приемов.

Таблица 8 - Сравнительная характеристика образцов сусла, полученного по механико-ферментативному способу из исходного зерна ржи и по способу «холодного затирания» из шелушенного зерна ржи

Показатели сусла Контроль Опыт I Опыт 11

СВ,% 16,2 16,7 15,9

РВ,% 9,8 11,8 11,2

ОРВ,% 14,5 14,2 13,8

Белок, мг% 38,5 120,5 114,8

2.2.4 Получение ржаного сусла по методу «холодного затирания» с

> использованием янтарной кислоты

С целью максимального использования внутренних резервов ржи в работе предусматривались исследования по получению сусла с использованием янтарной кислоты. Выбор указанного направления основан на данных о позитивном влиянии янтарной кислоты в ряде технологических процессов бродильных производств, в том числе для повышения ферментативной активности солода.

Влияние янтарной кислоты на активность эндогенных и микробных

амилаз

Данная серия экспериментов проводилась с использованием стандартного и зернового субстратов. Янтарная кислота вносилась на стадии приготовления субстрата либо зерновой вытяжки или раствора ферментного препарата.

Установлено, что в экспериментах при использовании стандартного субстрата применение янтарной кислоты в концентрациях 0,005-0,01% повышает ЛС зерна ржи в среднем в 1,5-1,7 раз. Увеличение концентрации янтарной кислоты до 0,05-0,1 % снижает уровень ЛС за счет сдвига рН для действия зерновых амилаз. Также показано, что янтарная кислота не активирует действие микробных амилаз, снижая их активность, также как и в зерновых при повышенной концентрации.

При исследовании влияния концентрации янтарной кислоты на активность зерновых и микробных амилаз на зерновых субстратах были проведены эксперименты с использованием гидромодуля 1:50 (Серия I) и 1:4 (Серия И).

Установлено, что исследования, проведенные с использованием зернового субстрата при гидромодуле 1:50 не совпадают с данными, полученными при использовании стандартного субстрата. Отмечено закономерное увеличение содержания декстринов в пробах с возрастанием концентрации янтарной кислоты от 0,005% до 0,1%, для исходной ржи в 1,3-1,6 раз; шелушенной ржи - в 2,0-3,0 раза.

При выполнении экспериментов при гидромодуле 1:4 установлено, что общий характер выявлешшх в Серии I закономерностей сохраняется. Использование янтарной кислоты повышает содержание декстринов в пробах, причем применение шелушенной ржи дает лучшие результаты. Вместе с тем, отмечено, что

13

эффективность процесса гидролиза крахмала в средах с меньшим гидромодулем существенно ниже, чем при получении замеса с гидромодулем 1:50. (табл. 9)

Таблица 9 - Влияние концентрации янтарной кислоты на процесс гидролиза крахмала зерновыми амилазами разжижающего действия (Серия!!)

Время гидр., мин Образец зерна Содержание декстринов мг/см'>,

Контр 0,005 % 0,01 % 0,05% 0,1%

20 Исходная рожь 0,126 0,139 0,156 0,225 0,256

Шелушенная рожь 0,133 0,164 0,183 0,206 0,265

40 Исходная рожь 0,136 0,150 0,177 0,188 0,202

Шелушенная рожь 0,155 0,177 0,198 0,230 0,247

60 Исходная рожь 0,172 0,186 0,223 0,224 0,222

Шелушенная рожь 0,206 0,223 0,236 0,291 0,307

Оценка состояния углеводно-амилазного комплекса ржи с использованием янтарной кислоты по амилограммам В технохимическом контроле спиртового производства отсутствует метод оценки состояния углеводно-амилазного комплекса зерна, от которого в значительной степени зависит реологическое поведение обрабатываемых сред. Анализ амилограмм, показывает, что применение янтарной кислоты приводит к снижению Бмах (максимальное усилие перемешивания) с 1,95 Н до 1,21-1,65Н в зависимости от концентрации янтарной кислоты.

Обработка амилограмм позволяет рассчитать показатель Ауд. (табл.10) Внесение янтарной кислоты в замес снижает данный показатель на 25-35%, что с позиции реологических характеристиках сред позитивно влияет на процесс.

Таблица 10 - Влияние вида сырья и концентрации янтарной кислоты на показатель энергия деструкции крахмала

Вид сырья Энергия деструкции крахмала (Ауд), Дж/г

Контроль 0,005% 0,01% 0,05% 0,1%

Исходная рожь 0,331 0,318 0,306 0,226 0,220

Шелушенная рожь 0,430 0,365 0,327 0,341 0,381

Изучение свойств образцов крахмала, полученных из шелушенного зерна ржи

Дня обоснования механизма действия янтарной кислоты на процесс гидролиза

крахмала ржи в работе были проведены исследования с применением двух образцов

крахмалов. Контрольный образец перед выделением крахмала из зерна подвергали

замачиванию с использованием воды; опытный - с использованием янтарной

кислоты. Микрофотографии выделенных образцов крахмала приведены на рисунке 2.

Графический материал дает возможность увидеть визуальную разницу в

крахмале контрольного и опытного образцов. Контрольный образец характеризуется

крахмальными гранулами с плотной оболочкой, причем объединенными в

конгломераты. Опытный образец крахмала имеет гранулы с более тонкой оболочкой,

14

представленных в основном в виде отдельных зерен. Возможно, выявленная разница является следствием гидролиза полимеров оболочки крахмала опытного образца под действием собственных ферментов ржи, активированных янтарной кислотой. Кроме того, это может быть результатом специфического воздействия янтарной кислоты на белковые вещества ржи и отдельные группы некрахмальных полисахаридов.

Контрольный образец Опытный образец

Рисунок 2 - Микрофотографии образцов крахмала Механизм гидролиза крахмала, полученного с использованием янтарной кислоты, принципиально отличается от контрольного образца. Гидролиз контрольного образца в течение 30 минут сопровождается разрушением только единичных крахмальных гранул. Увеличение длительности процесса позволяет увеличить количество крупных гранул, имеющих разрушенную оболочку. Мелкие крахмальные зерна остаются незатронутыми. Напротив, гидролиз опытного образца крахмала проходит более интенсивно (рис.3).

Гидролиз 30 мин Гидролиз 60 мин

Рисунок 3 - Микрофотографии опытного образца крахмала после гидролиза

Визуально видно, что после 30 минут гидролиза в большей части крупных гранул отсутствует оболочка, разрушение крахмальных гранул проходит по всей поверхности гранулы. На фотографиях, соответствующих 60 минутному гидролизу, четко видны «внутренние сферы» с так называемыми крестообразными структурами, что свидетельствует о глубине гидролиза. Частично подвергаются гидролизу крахмальные зерна среднего и мелкого размера.

Сравнительная характеристика показателей качества сусла На следующем этапе работы были получены и проанализированы по основным показателям качества следующие образцы сусла:

(К1) - механико-ферментативный способ, исходная рожь, гидромодуль 1:4.

(KII) - механико-ферментативный способ, шелушенная рожь, гидромодуль 1:4,2.

(01, ОП, Olli) - метод «холодного затирания», шелушенная рожь, гидромодуль 1:4,2; в опытах OII, ОШ использование янтарной кислоты в концентрациях 0,005 и 0,01%.

Сравнительная характеристика показателей качества сусла (табл.11), позволяет сделать основной вывод — разработанные режимы метода «холодного затирания» и использование янтарной кислоты при замесе помолов позволяют получить сусло из шелушенной ржи с качественными характеристиками не ниже контрольных значений, а в ряде случаев их превосходящими, не смотря на вывод из технологического процесса фракции шелухи в количестве 5%-ов от общей массы.

Таблица 11 - Сравнительная характеристика показателей качества сусла

Показатели качества Образцы сусла

И KII Ol ОН ОШ

СВ,% 16,2 15,9 16,0 16,0 16,0

РВ,% 9,8 10,8 11,5 11,6 11,7

ОРВ, % 14,5 14,2 13,8 14,5 14,8

Белок, мг% 38,5 40,2 119,0 119,6 121,6

Аминный азот, мг% 19,1 20,6 51,6 60,9 61,8

2.2.5 Изучение процесса сбраживания ржаного сусла, полученного с использованием янтарной кислоты

Процесс сбраживания сусла является завершающей биотехнологической стадией переработки зерна в этанол. Эффективность данной стадии зависит от химического состава сусла, его концентрации, степени гидролиза полимеров зернового сырья, в первую очередь крахмала, некрахмальных полисахаридов, белков; от используемых рас спиртовых дрожжей, их физиологического состояния и особенностей метаболизма при внесении биологических активаторов; от продолжительности сбраживания и температурных режимов проведения процесса.

Влияние концентрации янтарной кислоты на развитие спиртовых дрожжей Исследование влияния янтарной кислоты на развитие спиртовых дрожжей расы XII было проведено па модельных опытах, в которых использовалось стерильное осветленное солодовое сусло, в опытных образцах с внесением янтарной кислоты. Дрожжи 8.сегеуЫае расы XII использовались в виде чистой культуры.

Данные, представленные в таблице 12, показывают, что внесение янтарной кислоты в сусло в концентрациях от 0,01% до 0,20% приводит к снижению количества выделившегося за 24 часа С02, процентного содержания сухих веществ, снижению концентрации дрожжевых клеток в среде, к увеличению числа почкующихся клеток и клеток с гликогеном. Концентрация янтарной кислоты влияет на метаболизм развития спиртовых дрожжей. Образцы Опыт 2 и Опыт 3 характеризуются минимальными значешмми по потреблению сухих веществ сусла, накоплению дрожжевых клеток при максимальном содержании в них почкующихся клеток и клеток с гликогеном. Данный факт свидетельствует о том, что дрожжевые клетки при данной концентрации янтарной кислоты могут иметь больший размер, что и подтверждалось при визуальном изучении образцов.

Таблица 12 - Влияние концентрации янтарной кислота на развитие спиртовых дрожжей расы XII

Образец Концентр, янтарной кислоты Выделение С02 г/100 см3 сусла Снижение концентр. сусла (ДСВ),% Кол-во клеток дрожжей, млн./см3 Содержание клеток, %

Почкующиеся С гликогеном

Контроль - 2,8 7,1 157 13,90 80,7

Опыт 1 0,01% 2,7 7,1 140 15,04 82,5

Опыт 2 0,05% 2,4 6,2 110 22,36 86,9

ОпытЗ 0,10% 2,3 6,1 100 23,81 90,0

Опыт 4 0,15% 2,5 6,3 115 21,40 87,7

Опыт 5 0,20% 2,5 6,4 120 18,75 85,0

Дополнительно в работе была снята динамика изменения ряда показателей при культивировании спиртовых дрожжей без внесения (К) и с внесением янтарной кислоты в концентрации 0,10% (О).

Установлено (табл.13), что размножение дрожжей контрольного и опытного образцов приводит к накоплению в них кислых соединений, о чем свидетельствует снижение рН и повышение титруемой кислотности. Вместе с тем, уровень изменения данных показателей для опытных образцов характеризуется существенно меньшими значениями, чем для контроля. Так, разница между исходным значением рН и рН среды к 24 часам культивирования для опытного образца составляет только 0,53 единицы, в то время как для контрольного - 1,18 единиц. Аналогичная зависимость выявлена и при определении показателя титруемой кислотности.

17

Таблица 13 — Динамика изменения активной и титруемой кислотности в процессе культивирования спиртовых дрожжей

Время, ч рН ДрН Кислотность, град Д кислотности,град

К О К О К О К О

0 5,74 4,89 - - 0,09 0,24 - -

4 4,66 4,81 0,08 0,08 0,11 0,25 0,02 0,01

8 5,24 4,69 0,5 0,20 0,12 0,27 0,03 0,03

12 5,08 4,60 0,66 0,29 0,14 0,30 0,05 0,06

16 4,73 4,46 1,01 0,43 0,21 0,34 0,12 0,10

20 4,60 4,40 1,14 0,49 0,29 0,35 0,20 0,11

24 4,56 4,36 1,18 0,53 0,33 0,35 0,24 0,11

30 4,32 4,36 1,42 0,53 0,35 0,35 0,26 0,11

Данный факт связан с повышением общей буферное™ системы после внесения в сусло янтарной кислоты. Для спиртовой отрасли его следует считать позитивным, так как сверхнормативное повышение рН и кислотности на стадии сбраживания сусла свидетельствует об ухудшении микробилогической чистоты бражки, что приводит к снижению выхода спирта и понижению его качественных показателей.

Дополнительно в работе был проведен анализ аминокислотного состава исходного сусла и проб, полученных после внесения дрожжей и выдержки (табл.14).

Таблица 14 - Д инамика изменения аминокислотного состава

Аминокислоты Содержание аминокислот, иг/дм"1

Исходное сусло Контроль Опыт

6ч 12ч 24ч 6ч 12ч 24ч

аспарагиновая к-та 71,8 62,9 7,54 9,2 61,3 4,8 7,2

глютамшювая к-та 65,6 55,8 11,5 12,5 58,8 8,3 9,8

аспарагин 97,9 85,1 11,8 11,7 87,6 10,8 10,0

гистидин 53,5 41,8 22,3 22,2 42,9 22,6 21,4

серин 80,8 56,7 9,7 9,8 58,1 9,0 9,1

гшотамин 7,9 7,5 3,7 4,2 7,0 3,5 3,6

аргинин 122,5 88,0 27,3 30,7 88,7 26,8 25,4

глицин 45,1 36,3 27,6 30,0 36,5 28,0 29,0

треонин 75,1 57,0 18,4 18,1 57,9 18,1 17,6

аланин 113,2 108,9 70,0 70,7 108,7 70,5 64,2

тирозин 86,9 89,4 63,3 48,8 90,2 63,9 47,2

валин 101,5 114,8 77,5 66,2 111,9 76,3 58,4

метиошш 42,0 24,8 17,9 20,3 28,2 19,5 20,7

триптофан 42,1 34,3 24,2 24,8 34,0 23,3 23,0

изолейцин 67,5 66,6 26,0 21,9 66,0 24,2 18,6

фенилаланин 123,3 112,2 57,6 51,8 111,7 56,1 45,9

лейцин 158,6 129,6 43,5 40,8 128,6 41,2 35,9

лизин 104,0 64,7 1,8 3,5 66,1 1,6 4,0

Всего: 1459,3 1236,4 521,6 497,2 1244,2 508,5 451,0

Установлено, что в первые 6 часов культивирования дрожжей используется около 40% лизина, 30% аргинина и 20% лейцина от исходного. В целом за первые 6 часов, суммарное содержание аминокислот снижается в среднем на 15%. Наиболее интенсивно аминокислоты потребляются дрожжами в течение 12 часов культивирования. Их содержание снижается на 64,3 - 65,2% по сравнению с содержанием в исходном сусле. В опытном образце, соответствующем 24 часам,-потребление аминокислот превышает уровень контроля. Наиболее существенная разница отмечается в уровне снижения аргинина, аланина, валина, лейцина, фенилаланина.

Данные, полученные при изучении катионного состава исследуемых образцов методом хроматографии (табл.15), показали что:

- общее содержание катионов в опытных и контрольных пробах, соответствующих 6 часам выдержки сусла после внесения в него спиртовых дрожжей, по сравнению с исходным суслом снижается в среднем на 30%. Дальнейшая выдержка проб характеризуется менее интенсивным уменьшением концентрации катионов;

- концентрация N11/, К+, снижается с увеличением длительности выдержки проб, №+ напротив, по сравнению с исходным содержанием в сусле повышается, Са+2 - носит сложный характер;

- применение янтарной кислоты влияет на характер изменения катионного состава проб. Содержание МН4+, К+, в опыте (24 часа) выше, чем в контроле.

Таблица 15 - Динамика изменения содержания катионов

Катионы Содержание катионов, мг/дм"1

Исходное сусло Контроль Опыт

6ч 12ч 24ч 6ч 12ч 24ч

14,56 20,91 21,87 28,49 28,29 24,41 23,38

МН/ 59,94 48,68 32,51 19,83 47,81 33,66 27,46

Г 683,34 446,59 420,45 413,95 442,10 437,94 438,14

Са*2 33,90 41,56 44,39 32,20 33,34 34,99 38,35

98,16 73,68 69,44 67,53 71,20 70,23 71,60

Всего 889,91 631,43 588,64 561,98 622,75 601,23 598,92

Изменение содержания органических кислот зависит от метаболизма дрожжей. Внесение янтарной кислоты в сусло повышает содержание муравьиной и яблочной кислот против контроля. С учетом дополнительного внесения в опытный образец янтарной кислоты в количестве 1г, ее концентрация в исходном сусле составила 1197г/дм3. В процессе сбраживания концентрация данной кислоты снижается соответственно для контрольного и опытного образца на 86 мг/дм3 и 70 мг/дм , то есть экзогенно введенная в сусло янтарная кислота дрожжами не используется.

Установленный факт подтверждает данные ряда исследователей, что основная функция янтарной кислоты -транспортная.(табл. 16)

Таблица 16 — Содержание органических кислот

Кислоты Концентрация кислот, мг/дм"1

Исходное сусло Контроль Опыт

Муравьиная 350 140 198

Яблочная 147 324 411

Молочная 141 130 147

Янтарная 197 111 1127

Факторы, влияющие на динамику выделения диоксида углерода при сбраживании

ржаного сусла

Исследование процесса сбраживания ржаного сусла, полученного по методу «холодного затирания» с использованием янтарной кислоты, было начато с изучения факторов, влияющих на динамику выделения диоксида углерода. Было отмечено, что сбраживание опытных образцов сусла характеризовалось повышенным пенообразованием, что, скорее всего, являлось следствием более глубокого гидролиза белков сырья в процессе получения сусла и накоплением растворимых фракций белков определенной молекулярной массы. Поэтому в качестве первого фактора в работе было исследовано влияние нормы внесения в сусло ферментного препарата протеолитического действия Нейтраза 0,8 Ь - источника эндопротеиназ. Установлено, что применение микробной протеазы позволяет решить проблему пенообразования, рекомендованная норма препарата составляет 0,02 ПС/г сырья.

Также в работе исследовали влияние подкисления среды на стадии сбраживания и установили, что снижение рН до уровня 4,0-4,5 и 5,0-5,5 позитивно влияет на процесс сбраживания. Абсолютное значение выделившегося в течение 72 часов С02 повышается в среднем на 0,8-0,9 г/100 см3 сусла.

В качестве следующего фактора было изучено влияние нормы внесения осахаривающего ферментного препарата Глюкомил Л 706 на стадии получения сусла. Установлено, что норма внесения от 4,0 до 10,0 ед.ГлС/г незначительно влияет на интенсивность сбраживания, что может быть связано с тем, что процесс осахаривания сусла, полученного по методу «холодного затирания» осуществляется не только за счет действия микробных глюкоамилаз, но и за счет собственных ферментов зерна.

Последним фактором, исследованным в работе, явилась норма задачи спиртовых дрожжей, которая варьировалась в интервале от 5 до 20 млн./см3 сусла. Полученные данные показали, что норма задачи спиртовых дрожжей 5 млн./см3 не позволяет за 72 часа полностью сбродить сусло. Увеличение нормы задачи дрожжей, напротив, дает возможность завершить процесс сбраживания к 66 часам.

20

На основании обобщенных данных по изучению динамики выделения диоксида углерода для сбраживания сусла полученного по методу «холодного затирания» из шелушенной ржи с использованием янтарной кислоты выбраны следующие параметры: рН - 5,0-5,5; нормы внесения осахаривающего ферментного препарата - 4 ед.ГлС/г условного крахмала, протеолитического - 0,02 ед. ПС/г сырья.

Сравнительный анализ образцов зрелой бражки На завершающем этапе работы были получены и проанализированы по содержанию спирта контрольный и опытные образцы зрелой бражки, (табл.17) Норма задачи спиртовых дрожжей в зависимости от образца составляла 10;15 и 20 млн./см3 сусла; длительность сбраживания варьировалась от 60 до 72 часов.

Таблица 17 - Влияние нормы задачи дрожжей и продолжительности сбраживания на крепость дистиллята

Крепость дистиллята, % об.

Время, ч Контроль Опыт

Норма задачи дрожжей, млн./см"'сусла

10 10 15 20

60 - 6,99 6,99 7,22

66 7,10 7,21 7,25

72 6,80 7,18 7,24 7,24

Приведенные в таблице данные, позволяют сделать следующие выводы:

- крепость дистиллята опытных образцов по сравнению с контролем возрастала на 0,19 - 0,45 % об. Данный факт связан в первую очередь с повышением крахмалистости сырья: массовая доля крахмала в исходной ржи - 54,93%, в шелушенной ржи - 56,10%.

- увеличение нормы задачи спиртовых дрожжей в опытных образцах в целом приводило к повышению крепости бражного дистиллята;

- максимальная крепость бражного дистиллята (7,25% об.) соответствовала пробе, в которой норма задачи спиртовых дрожжей составляла 20 млн./см3, а продолжительность сбраживания — 66 часов.

Расчет выхода спирта показал, что разработанная низкотемпературная технология этанола из шелушенной ржи, приводит к повышению выхода спирта из тонны условного крахмала. Для оценки экономической эффективности новой технологии дополнительно был рассчитан выход спирта с учетом выделяемых из процесса 5%-ов шелухи. Данный расчет показал, что выход спирта из 1 тонны зерна находится в пределах 59,2-61,3, то есть в лучшем варианте превышает уровень контроля на 0,3 дал.

При изучении процесса брожения, кроме крепости дистиллята, необходимо учитывать накопление в бражке вредных летучих примесей (табл 18).

Основные примеси, мг/дм3 безводного спирта Образцы

Контроль | Опыт

Норма задачи дрожжей, мпнУсм"1 сусла

10 10 15 20

Ацетапьдегид 1377,7 2190,7 1985,5 2138,7

Изобутеральдегид 4,5 7,3 6,1 5,3

Этилацетат 167,2 171,2 175,1 184,0

Метанол, % об. 0,0041 0,0031 0,0028 0,0030

1-пропанол 515,3 363,8 351,0 375,7

2-пропанол 6,4 5,6 5,3 7,76

Диацетил 12,4 17,0 11,4 21,0

Изобутанол 1690,5 1760,2 1506,7 1532,0

1-бутанол 4,5 6,0 5,9 4,71

Изоамипацетат - 6,1 2,1 4,1

Изоамилол 3096,7 2463,5 2209,9 2215,1

Этилкапроат ■ 3,0 3,4 5,6

Гексанол 1,9 1,7 2,3 2,3

Фенил этиловый спирт 633,0 181,0 149,6 215,6

Суммарное кол-во примесей 7550,2 7201,1 6438,7 6741,8

Выявлено, что в контрольном образе суммарное содержание летучих примесей превышает значения для опытных на 5- 15%. При этом концентрация ацетальдегида напротив выше для опытных образцов, что может быть связано с более интенсивным протеканием процесса сбраживания. Содержание метанола снижается почти в 1,5 раза; фракций сивушных масел - на 714,0-1234,0 мг/дм3; фенилэтилового спирта на 66-76%.

Оптимизация процесса сбраживания ржаного сусла с дополнительным

внесением янтарной кислоты Для определения оптимальных технологических параметров исследуемого процесса в число варьируемых факторов были включены: время сбраживания; норма задачи дрожжевых клеток.

Результаты таблицы 19 показывают, что максимальный эффект для первого и второго фактора находится на втором уровне.

Таблица 19 - Влияние технологических параметров на процесс сбраживания

ржаного сусла

1 Время сбраживания, ч 60 66 72

Эффект 0,017 0,021 - 0,032

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

Эффект -0,054 0,040 0,020

Следовательно, для исследуемых факторов оптимальными значениями

являются:

Время сбраживания - 66 часов.

Норма задачи дрожжевых клеток - 15 млн./см3 сусла.

Таким образом разработана высокоэффективная технология этанола из ржи в основу которой положены простые и эффективные технические решения: частичное шелушение зерна; получение сусла по методу «холодного затирания»; применение янтарной кислоты на стадиях получения сусла и засевных дрожжей. Данные таблицы 20, в которых приводится характеристика показателей качества зрелой бражки контрольного и опытного образцов, показывают, что повышается выход спирта, снижается в бражке в среднем на 30% суммарное содержание летучих примесей.

Таблица 20 - Сравнительная характеристика показателей качества зрелой бражки ________

Показатели бражки Образцы по вариантам

Контроль Опыт

Крепость дистиллята, % об. 6,80 7,21

Суммарное содержание примесей, мг/дм3 безводного спирта 7550,2 5428,0

Выход спирта из 1 т условного крахмала, дал 61,8 64,2

Выход спирта из 1 т зерна, дал 33,9 34,2

ВЫВОДЫ

1.Предложено для повышения технологических свойств ржи использовать способ частичного шелушения.

1.1.На основании изучения потерь крахмала с фракции шелухи определена допустимая степень шелушения- 5%-ов.

1.2.Установлено, что снятие с зерновки 5%-ов внешних периферийных частей зерна приводит к повышению микробиологических характеристик сырья, снижению прочностных свойств и, как следствие, возможности получения качественных помолов при допустимых энергозатратах и к повышению доступности крахмала сырья к ферментативному гидролизу.

2.0пределеиы факторы, влияющие на процесс получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания».

2.1.Рекомендовано использовать ферментный препарат разжижающего действия Термамил БС с нормой внесения 0,1ед.АС/г условного крахмала сырья.

2.2.Показапо, что в низкотемпературных схемах переработки шелушенной ржи помол должен характеризоваться 100%-ным проходом через сито (1=1,0 мм.

2.3. Выбраны температурно-времеиные режимы на стадии получения сусла (обработка замеса при 1=45-50°С - 2 часа и при 1=60-65°С - 2 часа).

3. Изучено влияние концентрации янтарной кислоты на активность эндогенных и микробных амилаз. Показано, что внесение янтарной кислоты в концентрации 0,005-0,01% повышает активность зерновых амилаз в среднем в 1,5 раза.

4. Проведены исследования контрольного и опытного образцов крахмалов с использованием системы микроскопии и анализа ЬЕ1СЕ ОМЬМ, позволившие обосновать отличия в характере деструкции крахмала в пробах с внесением янтарной кислоты.

5. На модельных средах изучено влияние концентрации янтарной кислоты на метаболизм развития спиртовых дрожжей Эхогсу^ше расы XII. Показано, что использование янтарной кислоты при культивировании дрожжей повышает буферность технологических сред. Выявлены отличия в изменении аминокислотного состава опытного и контрольного образцов, а также содержания в них отдельных катионов и органических кислот.

6. Определено влияние различных факторов (нормы дозировки осахаривакмцего и протеолитического ферментных препаратов, уровня подкисления среды, нормы задачи дрожжей) на процесс сбраживания сусла, полученного по методу «холодного затирания» из шелушенной ржи с использованием янтарной кислоты, на основании которого рекомендовано:

-на стадии получения сусла использовать ферментный препарат осахаривающего действия с нормой дозировки 4 ед.ГлС/г условного крахмала сырья;

- проводить подкисление среды до уровня рН 5,0-5,5;

- вносить на стадию сбраживания ферментный препарат с эндопротеиназной активностью с дозировкой 0,02 ед.ПС/г сырья.

7. Исследован состав зрелой бражки по содержанию спирта и вредных летучих примесей. Выбраны значимые факторы, проведена оптимизация процесса сбраживания, установлены оптимальные параметры: норма задачи дрожжей 15 млнУсм3 сусла, длительность процесса сбраживания — 66 часов. Показано, что опытный образец бражки при выбранных параметрах проведения процесса сбраживания характеризуется повышением крепости бражки и снижением в пей в среднем на 30% содержания летучих примесей.

8. Разработана аппаратурно-технологическая схема производства этанола из шелушенной ржи с получением сусла по методу «холодного затирания» и использованием янтарной кислоты.

9. Осуществлены опытно-промышленные испытания новой технологии в условиях ООО «Агромаш». Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции для завода мощностью 3000 дал/сут составила 15,12 млн. руб. при сроке окупаемости капитальных затрат 1,5 месяца.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сидякин М.Э. К вопросу получения ржаного сусла по схеме «холодного затирания» / М.Э. Сидякин, С.М. Рябова. - Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека». — Кемерово. - 2010. - С. 64-65.

2. Крикунова JI.H. Низкотемпературный способ получения ржаного сусла / JI.H. Крикунова, С.М. Рябова // Производство спирта и ликероводочных изделий. -2011. -№2.-С. 14-16.

3. Рябова С.М. Влияние влажности зерна на процесс шелушения ржи // С.М. Рябова, JI.H. Крикунова II Сборник материалов молодых ученых и специалистов по направлению «Технологии и производственный менеджмент». - М.: МГУПП. - 2011. — С. 278-282.

4. Крикунова Л.Н. Шелушение зерна в технологии этанола / JI.H. Крикунова, С.М. Рябова, О.С. Журба // Производство спирта и ликероводочиых изделий. - 2012. -№1. -С.14-16.

5. Журба О.С. Влияние шелушения на параметры процесса его измельчения / О.С. Журба, A.B. Карамзин, Л.Н. Крикунова, С.М. Рябова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - №8. - С. 18-23.

6. Рябова С.М. Способы повышения микробиологических характеристик сырья в спиртовом производстве / С.М. Рябова, Л.Н. Шабурова, И.С. Витол // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2013. - №2. - С. 11-12.

7. Крикунова Л.Н Влияние шелушения ржи на процесс ферментативного гидролиза крахмала сырья / Л.Н. Крикунова, С.М. Рябова II Пиво и напитки. - 2013. - №4. - С.48-52.

8. Рябова С.М. Ресурсосберегающий способ переработки ржи в технологиях бродильных производств / С.М. Рябова. // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Пищевые ингредиенты и инновационные технологии в производстве продуктов здорового питания»,— г.Санкт-Петербург. -15-16 мая 2013. — С. 157-159.

9. Рябова С.М. Ресурсосберегающий способ переработки ржи в спиртовой отрасли / С.М. Рябова // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2013. - №4.

Ю.Рябова С.М. Влияние янтарной кислоты на активность эндогенных и микробных амилаз / С.М.Рябова, Л.Н. Крикунова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. -№12.

11. Крикунова Л.Н. Способ производства этилового спирта из зернового сырья / Л.Н. Крикунова, С.М. Рябова, М.В. Гернет, И.В. Лазарева // Заявка на Патент РФ №2013127802 от 19.06.2013г.

Подписано в печать:

21.11.2013

Заказ № 9182 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское га., 36 (499) 788-78-56 тууу.айогеГега!. ги

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

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ РЖИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯНТАРНОЙ КИСЛОТЫ

На правах рукописи

04201451744

Рябова Светлана Михайловна

Специальность 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 - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................................................6

1 Обзор литературы........................................................................................................................11

1.1 Характеристика ржи....................................................................................................................11

1.1.1 Агропромышленные аспекты производства ржи............................................11

1.1.2 Биохимический состав ржи....................................................................................................11

1.1.3 Характеристика ферментного комплекса ржи......................................................13

1.1.3.1 Способы активации ферментов..........................................................................................19

1.1.4 Структурно-механические свойства зерна ржи..................................................23

1.2 Способы целенаправленного изменения исходных технологических свойств сырья........................................................................................24

1.2.1 Метод шелушения в технологии этанола..................................................................27

1.3 Стадия производства зерновых помолов..................................................................29

1.3.1 Дробильное оборудование....................................................................................................29

1.4 Стадия получения осахаренного сусла....................................................................31

1.4.1 Сравнительная характеристика режимов механико-ферментативной обработки зерна в технологии этанола..............................32

1.4.2 Метод «холодного затирания»............................................................................................33

1.5 Основные аспекты сбраживания зернового сусла..........................................36

1.5.1 Факторы, влияющего на процесс сбраживания сусла..............................37

1.5.2. Характеристика спиртовых дрожжей, применяемых в спиртовом

производстве......................................................................................................................................39

1.5.3 Способы активации дрожжей..........................................................................................40

1.6 Применение янтарной кислоты в пищевой промышленности..............43

1.7 Заключение по обзору литературы........................................................................46

2 Экспериментальная часть..................................................................................................48

2.1 Материалы, оборудование и методы исследования........................................48

2.1.1 Материалы исследования..........................................................................................................48

2.1.2 Методы исследования..................................................................................................................49

2.1.2.1 Определение физических, структурно-механических, биохимических и микробиологических характеристик зерна............49

2.1.2.2 Исследование свойств образцов крахмала......................................................51

2.1.2.3 Анализ полупродуктов спиртового производства (замеса, разваренной массы, сусла, бражки)................................................................................51

2.1.2.4 Методы анализа на стадии культивирования дрожжей........................55

2.1.3 Использованное оборудование..........................................................................................56

2.2 Результаты исследований и их обсуждение........................................................57

2.2.1 Изменение свойств зерна методом шелушения..................................................57

2.2.1.1 Влияние влажности ржи на процесс шелушения зерна................................57

2.2.1.2 Изменение структурно-механических свойств ржи методом шелушения..........................................................................................................................................60

2.2.1.3 Влияние процесса шелушения ржи на микробиологические характеристики сырья..................................................................................................................62

2.2.1.4 Исследование биохимических показателей исходного и шелушенного зерна ржи..................................................... 64

2.2.1.5 Оценка состояния углеводно-амилазного комплекса исходного и шелушенного зерна ржи по амилограммам.............................. 67

2.2.2 Сравнительная характеристика низкотемпературных способов получения ржаного сусла..................................................... 69

2.2.3 Исследование процесса получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания».............................................. 73

2.2.3.1 Выбор ферментных препаратов разжижающего действия............ 74

2.2.3.2 Выбор степени дробления зерна.......................................... 76

2.2.3.3 Выбор нормы внесения ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего спектров действия....................................... 77

2.2.3.4 Исследование процесса получения ржаного сусла с использованием ферментов цитолитического комплекса............. 78

2.2.3.5 Выбор температурно-временного режима................................ 81

2.2.4 Получение ржаного сусла по методу «холодного затирания с использованием янтарной кислоты........................................ 83

2.2.4.1 Влияние янтарной кислоты на активность эндогенных и микробных амилаз............................................................ 83

2.2.4.2 Оценка состояния углеводно-амилазного комплекса ржи с использованием янтарной кислоты по амилограммам................. 89

2.2.5 Изучение свойств образцов крахмала, полученных из шелушенного зерна ржи..................................................... 93

2.2.6 Сравнительная характеристика показателей качества сусла......... 95

2.2.7 Изучение процесса сбраживания ржаного сусла, полученного с использованием янтарной кислоты....................................... 97

2.2.7.1 Влияние концентрации янтарной кислоты на развитие спиртовых дрожжей..........................................................................................................................................97

2.2.7.2 Факторы, влияющие на динамику выделения диоксида углерода

при сбраживании ржаного сусла.......................................... 105

2.2.7.3 Сравнительный анализ образцов зрелой бражки..................... 111

2.2.7.4 Оптимизация процесса сбраживания ржаного сусла с дополнительным внесением янтарной кислоты....................... 115

2.2.8 Разработка аппаратурно-технологической схемы производства этанола......................................................................... 120

Выводы......................................................................... 125

Список использованных источников................................... 128

Приложения

Введение

Актуальность темы

Среди приоритетных направлений развития спиртовой отрасли РФ выделяют направление, посвященное созданию высокоэффективных технологий, основанных на подготовке сырья к сбраживанию с использованием низкотемпературных схем его переработки. Наиболее перспективным в настоящее время является механико-ферментативный способ. Вместе с тем данный способ, несмотря на преимущества, не позволяет использовать собственный ферментный комплекс зернового сырья, что особенно важно, если применяется зерно ржи, характеризующееся высокой активностью амилаз, протеаз и ферментов гемицеллюлазного комплекса.

В зарубежной практике широко используют так называемый способ «холодного затирания», при котором температура на стадии водно-тепловой обработки не превышает 60-70°С, что позволяет гидролизовать полимеры зерна и под действием собственной ферментной системы. Данный способ не реализован в практике отечественных спиртовых предприятий и связанно это с рядом причин.

Во - первых, способ «холодного затирания» предъявляет повышенные требования к исходным микробиологическим характеристикам сырья. Применяемое на спиртовых предприятиях РФ фуражное зерно обычно характеризуется повышенной микробиологической обсемененностью. Специалистами отрасли предложены способы повышения этих характеристик. К примеру, ученные ВНИИ пищевой биотехнологии для повышения качественных характеристик зерна разработали способ «глубокой очистки», основанный на предварительной мойке зерна с последующей его гидротермической обработкой. Данный способ требует перевода процесса классического метода сухого дробления зерна на гидроизмельчение с использованием РПА погружного типа.

Альтернативным способом повышения микробиологических характеристик зерна является метод ИК -нагрева, предложенный учеными МГУ ПЛ. Позволяя получать практически стерильное зерно, данный способ, к сожалению, полностью инактивирует собственный ферментный комплекс зерна.

Во - вторых, способ «холодного затирания» предъявляет повышенные требования к составу используемого помола. Он должен характеризоваться однородностью и большей степенью измельчения, чем в традиционных схемах переработки сырья. Получение такого помола на отечественных спиртовых предприятиях сопряжено с трудностями. Мелкий равномерный помол на имеющемся на заводах дробильном оборудовании можно получить только при высоких энергозатратах, а это с экономической точки зрения не эффективно.

В - третьих, из литературных данных известно, что определенные анатомические части зерновки, содержащие такие компоненты как клетчатка, гемицеллюлозы, определенные фракции белков ухудшают технологический процесс получения осахаренного сусла.

Исходя из вышесказанного, при разработке технологии этанола из ржи на основе метода «холодного затирания» необходимо провести целенаправленное изменение исходных свойств сырья. С целью максимального использования внутренних резервов ржи в работе предусматривались исследования по получению сусла с использованием янтарной кислоты. Выбор указанного направления основан на данных о позитивном влиянии янтарной кислоты в ряде технологических процессов бродильных производств. Кроме того, в литературе в последнее время активно обсуждается вопрос о перспективности применения янтарной кислоты при производстве кормопродуктов. Отход спиртового производства - барда в настоящее время используется для их выработки. Янтарная кислота, как нелетучий компонент технологической среды, будет концентрироваться именно в данном отходе производства, что, как можно предположить, повысит его биологическую ценность.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы является разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с целенаправленно измененными методом частичного шелушения зерна технологическими свойствами на основе способа «холодного затирания» и использования янтарной кислоты.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

- изучить влияние способа частичного шелушения ржи на структурно-механические свойства, микробиологические характеристики и биохимические показатели зерна;

- провести сравнительную характеристику низкотемпературных способов получения ржаного сусла;

- определить значимые параметры, влияющие на показатели качества сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания», в том числе с использованием янтарной кислоты;

- выявить влияние янтарной кислоты на активность эндогенных и микробных амилаз, на углеводно-амилазный комплекс сырья и свойства образцов крахмала;

- провести сравнительную характеристику показателей качества сусла;

изучить процесс сбраживания ржаного сусла, полученного с использованием янтарной кислоты, выявить влияние ее концентрации на развитие спиртовых дрожжей;

- определить факторы, влияющие на процесс сбраживания ржаного сусла, полученного по методу «холодного затирания»; провести сравнительных анализ образцов зрелой бражки на содержание этилового спирта и вредных летучих примесей;

- оптимизировать процесс сбраживания ржаного сусла;

- разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола из ржи, предусматривающую частичное шелушение зерна, использование способа «холодного затирания» и применение янтарной кислоты.

Научная новизна

В результате выполненных комплексных исследований выявлено влияние частичного шелушения ржи на изменение структурно-механических свойств зерна, его микробиологических характеристик и состояние углеводно-амилазного комплекса сырья.

На основании сравнительного анализа показателей качества сусла научно обоснованы значимые параметры процесса получения сусла из шелушенной ржи по методу «холодного затирания».

Впервые исследован процесс получения ржаного сусла с использованием янтарной кислоты. Получены с применением системы для микроскопии LEICA DMLM новые научные данные о влиянии янтарной кислоты на изменение фермент-субстратной специфичности крахмала сырья.

На основании модельных опытов изучено влияние концентрации янтарной кислоты на метаболизм спиртовых дрожжей. Впервые установлены изменения в аминокислотном составе, содержание отдельных катионов и органических кислот при культивировании дрожжей расы S.cerevisiae XII на солодовом сусле контрольного и опытного вариантов.

Исследованы процессы и научно-обоснованы режимы получения и сбраживания сусла из шелушенной ржи, на основании которых предложен новый ресурсосберегающий способ производства этилового спирта, на который подана заявка №2013127802 на получение Патента РФ.

Практическая значимость

Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из ржи аппаратов для частичного шелушения зерна, позволяющих целенаправленно изменять технологические свойства зерна:

- снижать прочностные свойства ржи и соответственно получать мелкие и равномерные помолы из зерна без превышения энергозатрат против контроля;

- улучшать микробиологические характеристики сырья;

- повышать ферментативную атакуемость сырья за счет использования более мелкого помола и вывода из технологической среды клетчатки, гемицеллюлоз, обладающих экранирующим свойством, что позволяет снизить норму внесения ферментных препаратов амилолитического спектра действия на 25-30%.

Разработана новая технология этанола из шелушенной ржи на основе получения сусла по методу «холодного затирания» с использованием янтарной

кислоты, позволяющая снизить на 20-25% энергозатраты на стадии получения сусла за счет снижения температурного режима; повысить крепость бражки, выход спирта из 1 тонны условного крахмала на 2,4 дал; из 1 тонны зерна - на 0,3 дал; снизить содержание в бражке вредных летучих примесей в среднем на 30%, что при равных энергозатратах на стадии ректификации дает возможность повысить сортность спирта.

Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии этанола в условиях ООО «Агромаш».

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 15,12 млн.руб при сроке окупаемости капитальных затрат 1,5 месяца.

1 Обзор литературы 1.1 Характеристика ржи 1.1.1 Агропромышленные аспекты производства ржи

Рожь {Secale cereale) - однолетнее или двулетнее растение семейства мятликовых, возделываемое в основном в странах северного полушария. Существует две формы ржи - озимая и яровая. Данная культура характеризуется пониженной урожайностью - 1,6...2,6 т/га [74]. В то же время, она неприхотлива к почвам и удобрениям, не слишком ее истощает, а также обладает хорошей морозоустойчивостью [13, 122, 169].

По литературным данным в 2012 году валовой сбор ржи составил 2,1 млн.тонн [111]. Высокая адаптационная способность ржи, стабильность получения урожая, агротехническая значимость ставят ее в ряд важнейших сельскохозяйственных культур [13].

1.1.2 Биохимический состав ржи

Рожь - относится к голозерным культурам, так как ее зерновка легко отделяется от цветочных пленок. По содержанию в зерне ржи на первом месте стоит крахмал. Его массовая доля, по данным разных авторов составляет от 46 до 58% [45, 48, 62, 145]. На крахмалистость зерна в первую очередь влияют его сортовые особенности, климатические и почвенные условия произрастания [5]. Крахмал ржи характеризуется пониженной температурой клейстеризации (46-62°С) [27].

Рожь в отличие от других зерновых культур содержит больше свободных Сахаров от 2 до 9%. Они представлены в виде сахарозы, арабинозы, глюкозы, фруктозы, мальтозы, раффинозы [22]. При использовании схем, предусматривающих разваривание затора под давлением, происходит разложение Сахаров с образованием фурфурола и оксиметилфурфурола, которые ухудшают качество готового продукта и увеличивают потери сбраживаемых углеводов. Однако, при использовании низкотемпературных технологий, данная проблема стоит не столь остро.

Рожь с технологической точки зрения классических схем производства этанола является сложной культурой, что связано с содержанием в ее клеточных стенках зерен некрахмальных полисахаридов, к которым относятся целлюлоза, гемицеллюлозы, гумми- и пектиновые вещества [1].

По сравнению с другими культурами, в составе ржи значительное количество слизей - от 2,5 до 7,4 % на сухое вещество [47]. Основную часть слизей составляют пентозаны [191]. Их содержание по данным разных авторов составляет от 75 до 94% всех гемицеллюлоз и гумми-веществ [58]. Они обладают высокой водосвязывающей спосо