Применение низкопентозановой ржи в технологии этилового спирта

Рожь является перспективным сырьем в технологии этилового спирта. В настоящее время зерно ржи является второй по важности-после пшеницы продовольственной культурой.

Рожь характеризуется высокой зимостойкостью, меньшей требовательностью к условиямпроиз-растания, чем другие культуры, легче переносит засуху, имеет лучший состав незаменимых аминокислот. Климатические условия нашей

248                                   БД Agris

страны позволяют выращивать данное сырье практически повсеместно [1]. Одной из особенностей ржи является содержание в ней в три раза большего количества водорастворимых пентозанов чем в других культурах [2], что в технологии этилового спирта влияет на степень ферментативного гидролиза и растворимость сухих веществ на стадии водно-тепловой обработки замеса [3].

Во ржи всего содержится 7-13% араби-ноксиланов [4], из которых 20-38% от общего составляют водорастворимые [5].

В ГНУВНИИР им. Н.И. Вавилова доктором биологических наук Кобылянским в. д. был разработан метод получения сортов ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов Янтарная, Ника 3, Вавиловская, Берегиня, Рушник и Енисейка 2 [6]. Полученные сорта ржи содержали водорастворимые пентозаны в количестве 0,5–0,8%, что сравнимо с содержанием пентозанов в пшенице – 0,5–1,0% [7].

Ранее в работах [6, 8]была показана эффективность применения сортов ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов в хлебопечении и производстве комбикормов.

Содержание пентозанов в зернах ржи, используемых в кормовых целях должно быть как можно меньше, а белка, наоборот, больше [9].

При замене 20% зерна пшеницы 20% ржи сорта Янтарная, с низким содержанием водорастворимых пентозанов, была отмечена экономия количества корма на 8,2% [6].

Исследования на применение новых сортов низкопентозановой ржи в технологии этилового спирта ранее не проводились.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования использовалась озимая рожь сорта Янтарная с содержанием пентозанов 0,53%, в качестве контрольного образца – фуражная рожь с содержанием пентозанов 3,6%. Количество водорастворимых пентозанов определяли по содержанию фурфурола колориметрическим методом [10]. Помолы зерна получали методом ударно-активаторно-дезинтеграторной обработки, проводимой на дезинтеграторе ДЕЗИ-15 (НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ«Прометей»). Гранулометрический состав помолов определяли ситовым методом.

Из полученных помолов готовили замес с гидромодулем 1∶3. Замес выдерживали при температуре 60°C в течение 2,5 часов. Каждые полчаса отбирали пробы сусла и определяли массовую долю сухих веществ на рефрактометре PTR 46 марки IndexInstruments. По окончании водно-тепловой обработки в полученных гидролизатах определяли коэффициент динамической вязкости на вискозиметре VisсоBasic PlusR с использованием шпинделя R2 при скорости сдвига 50 с–1.

Готовую спиртовую бражку перегоняли с помощью вакуум-выпарной установки LabTechЕV311. Полученные отгоны доводили до первоначального объема водой и определяли крепость и количество побочных продуктов брожения на газовом хроматографе Кри-сталл-2000М», с дозаторомДАЖ-2 М, колонкой HP-FFAP 0,32 мм×0,5 мкм. Газовая фаза – азот 99,999%(ос. ч.)

Показатели качества послеспиртовой барды – содержание сырого протеина, жира, клетчатки, золы – определялись методиками, предусмотренными соответствующими ГОСТ.

Результаты и обсуждения

Вязкость замеса – очень важный технологический показатель при производстве этилового спирта. При высокой вязкости замесов возникают трудности при механическом перемешивании замесов, при их транспортировке по трубопроводам и коммуникациям, снижается скорость и эффективность ферментативного гидролиза компонентов сырья. Вязкость замеса в значительной степени зависит от вида используемого сырья, состояния крахмала и наличия некрахмалистых компонентов, содержащихся в клеточных стенках зерна, таких как целлюлоза, пентозаны и β-глюканы. Особенно это необходимо учитывать при переработке такой культуры, как рожь [11].

В работе [12] было проведено исследование реологических характеристик замесов, полученных из ржи, измельченной на роторно-ножевом рабочем органе и замесов, полученных из зерна, обработанного на дезинтеграторе и было установлено, что УДА-обработка позволяет разрушить зерно ржи таким образом, что точка клейстеризации крахмала в ржаном замесе отсутствует, что и было в дальнейшем подтверждено экспериментами, проводимыми в рамках данной исследовательской работы.

Рисунок 1. Изменение коэффициента динамической вязкости замесов из фуражной ржи

Figure 1. Changes in the dynamic viscosity coefficient of forage rye mash

На рисунках 1 и 2 представлены графики изменения коэффициента динамической вязкости ржаных замесов из фуражной ржи и низкопентоза-новой ржи сорта Янтарная, после обработки зерна на дезинтеграторе.

Из графиков, представленных на рисунках 1 и 2, следует, что начальное значение коэффициента динамической вязкости в замесе, приготовленном из ржи сорта Янтарная выше, и составляет порядка 1800 мПа×с, в то время как в замесе из фуражной ржи в начальный момент приготовления замеса коэффициент динамической вязкости составляет порядка 600 мПа×с. Более высокое значение коэффициента динамической вязкости объясняется тем, что количество мелких частиц в помоле, полученном при измельчении низкопентозановой ржи, выше, чем в помоле их фуражной ржи, что приводит к увеличению удельной поверхности помолов и как следствие увеличению вязкости замесов [13].

В процессе вто коэффициент динамической вязкости замесов, приготовленных из низкопенто-зановой ржи снижается без повышения вязкости замесов, что говорит о глубоком разрушении структуры низкопентозановой ржи, что и обуславливает в дальнейшем более высокий выход сухих веществ по окончаниивто – 16%. Коэффициент динамической вязкости в замесах из фуражной ржи в процес-севто ведет себя нестабильно: то повышается, то снижается, что может быть следствием недостаточно полной разрушении структуры крахмальных гранул фуражной ржи. Известно, что более полное растворение крахмала в зерновых замесах происходит если крахмал уже прошел стадию клейстери-заци [14]. И как следствие данного факта, количество растворимых веществ в гидролизате, полученном из фуражной ржи составил всего 15%.

Рисунок 2. Изменение коэффициента динамической вязкости замесов из ржи сорта Янтарная

Figure 2. Changes in the dynamic viscosity coefficient of Yantarnaya rye mash

Из графика видно, что скорость накопления сухих веществ в гидролизате из помола низко-пентозановой ржи сорта Янтарная выше, чем у фуражной, первые 30 мин, а затем снижается. Конечное количество сухих веществ в зерновом сусле полученном из ржи сорта Янтарная выше, чем фуражной, на 15,8%.

Образцы зернового сусла имели конечные показатели по сухим веществам и вязкости, представленные в таблице 1.

Также, в процессе водно-температурной обработки, каждые полчаса измеряли вязкость гидролизатов на вискозиметре Visсо BasicPlusr с использованием шпинделя r2 при скорости сдвига 50 с–1.

Образцы зернового сусла имели конечные показатели по сухим веществам и вязкости, представленные в таблице 1.

Рисунок 3. Нарастание сухих веществ

Figure3. Accumulation of dry matter

Таблица 1.

Физико-химические показатели сусла

Table1.

Physicochemical properties of cooked mashes

Наименование показателя | Name of indicator	Фуражная рожь Fodder Rye	Рожьсорта Янтарная Rye Amber
Осмоляльность, ммоль×кг–1 | Osmolality, mmol×kg-1	596,0 ± 17,2	530,0 ± 33,8
Кислотность, мл 1 н NаОН | Acidity, ml 1 nNaon	0,23 ± 0,02	0,15 ± 0,03
Вязкость, мПа×с | Viscosity, MPa×s	123,0 ± 1,3	256,0 ± 2,5
Количество раств. угл., г×100 см–3 The number of solution. angle., g×100 cm-3	14,4 ± 1,5	15,4 ± 1,5
Сухие вещества, % | Dry matter, %	15,2 ± 1,5	17,6 ± 1,6
Содержание αаминного азота, мг×100 см–3 Content of a-aminenitrogen, mg×100 cm-3	11,95 ± 1,2	26,97 ± 1,7

Из таблицы видно, что в сусле, полученном из низкопентозановой ржи, содержится на 2,4% сухих веществ больше, чем в сусле, полученном из фуражной ржи, и в два раза больше аминного азота.

На следующем этапе проведения экспериментов необходимо было исследовать процесс сбраживания ржаного сусла, приготовленного из низкопентозановой ржи. Интенсивность брожения оценивали по выделению диоксида углерода, количество которого определяли весовым методом (рисунок 4).

Из рисунка 4 видно, что в образце с применением ржи сорта Янтарная потеря массы, связанная с выходом углекислоты, больше на 19,8%. Из данных графиков можно сделать вывод, что применением ржи сорта Янтарная хорошо влияет на процесс сбраживания спиртовыми дрожжами зернового сусла. После окончания брожения проводился анализ зрелой бражки. Результаты анализа представлены таблице 2.

В дистилляте, полученном из ржи Янтарная, содержится в 10 раз меньше уксусного альдегида, ухудшающего органолептику дистиллятов, чем в дистилляте из фуражной ржи. Метиловый спирт в обоих дистиллятах находится в незначительных количествах, не влияющих на органолептику.

Таблица 2.

Показатели дистиллятов

Parameters of distillates

Table 2.

Вид ржи | Type of rye		Фуражная рожь Fodder Rye	Рожь сорта Янтарная RyeAmber
Наименование показателя | Name of indicator	Единица измерения Unit
Крепость| Concentration	% об.	8,4 ±0,1	8,8 ±0,1
Сложныеэфиры | Esters
Этилацетат| Acetate	мг×дм–3	89,8 ±9,0	187,0 ±28
Альдегиды | Aldehydes
Альдегид уксусный | Aldehyde vinegar	мг×дм–3	148,6 ±14,9	14,5 ±2,2
Высшие спирты | Higher spirits
1-Пропанол | 1-Propanol	мг×дм–3	702,0 ± 70,2	836,0 ± 125,0
2-Пропанол | 2-Propanol		4,0 ± 0,4	203,0 ± 30,0
н-Бутанол | butanol		8,6 ± 1,3	9,9 ± 1,5
Изобутанол | Isobutanol		1782,9 ± 178,3	1383,0 ± 207,0
Изоамилол | Isoamyl		1698,1 ± 169,8	3118,0 ± 468,0
Всего | Total		6276,6 ± 878,7	5550,0 ± 642,4
Спирт метиловый | Methyl alcohol
	% об.	(1,1 ± 0,1) · 10–2	(0,79 ± 0,12) · 10–2

Рисунок 4. Выделение  углекислотыв процессе брожения

Figure 4. Саrbоn dioxide emission during fermentation

Важным продуктом спиртового производства является послеспиртовая барда, которая широко применяется в кормопроизводстве.

Послеспиртовая барда содержит протеин, клетчатку, жир, безазотистые экстрактивные вещества и минеральные вещества, что придает барде самостоятельную кормовую ценность.

Полученную после брожения послеспирто-вую барду исследовали на питательную ценность. Полученные данные представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Показатели послеспиртовой барды

Table 3.

Parameters of DDG

Показатели послеспиртовой барды Indicators DDG	Фуражная рожь Fodder Rye	Рожь сорта Янтарная RyeAmber
Кормовые единицы, к. ед./кг | Feedunits, K. units / kg	0,14 ± 0,05	0,25 ± 0,05
Массовая доля сырого протеина, % на а.с.в. (натуральное вещество) Themassfractionofcrudeprotein, % onACB. (natural substance)	1,74 ± 0,10	2,6 ± 0,12
Массовая доля легкогидролизуемых углеводов, % (натуральное вещество) Mass fraction of easily hydrolyzed carbohydrates, % (naturalsubstance)	2,44 ± 1,11	4,05 ± 1,52
Массовая доля сырого жира, % на а.с.в. (натуральное вещество) Mass fraction of crude fat, % onACB. (natural substance)	0,30 ± 0,77	0,43 ± 0,77
Массовая доля сырой клетчатки, % на а.с.в. (натуральное вещество) Mass fraction of crude fiber, % onACB. (natural substance)	0,49 ± 0,07	0,62 ± 0,07
Массовая доля сырой золы, % на а.с.в. (натуральное вещество) Mass fraction of crude ash, % onACB. (natural substance)	0,52 ± 0,95	0,54 ± 0,95

Из таблицы 3 видно, что наибольшим количеством кормовых единиц обладает после-спиртовая барда из ржи сорта Янтарная, в два раза превышая количество кормовых единиц в образцах из фуражной ржи.

Выводы

В настоящей работе показана эффективность применения нового сорта озимой ржи сорта Янтарная в технологии этилового спирта. Это доказано более высокими качественными показателями бражных дистиллятов и послеспир-тововй барды по сравнению с показателями бражных дистиллятов и послеспиртовой барды,