Выбор ферментных препаратов и температурно-временных режимов водно-тепловой и ферментативной обработки при разработке комплексной технологии переработки зернового сырья

Среди приоритетных направлений развития спиртовой отрасли на первое место в настоящее время выдвигаются разработки по созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий получения этанола из зерна. Для получения и сбраживания осахаренного зернового сусла необходимо крахмал и другие компоненты сырья перевести в растворённое состояние. Выбор режимов и технологических параметров получения осахаренного сусла при разработке новых технологий получения этанола базируется на

экономических и аппаратурно-технологических аспектах производства и во многом определяется свойствами перерабатываемого сырья [1–6].

В связи с этим необходимость в разработке новых технологий, которые учитывают состав белковых веществ и некрахмальных соединений различных видов зернового сырья с целью эффективности биоконверсии всех составных частей зерна, позволяющих не только интенсифицировать процесс спиртового брожения и увеличить выход спирта, но и получать дополнительно кормовые белковые продукты, является своевременной и актуальной.

Материалы и методы

В спиртовом производстве существует два способа получения сусла: разваривание сырья под давлением и механико-ферментативная обработка.

Стандартный способ механико-ферментативной обработки предусматривает: смешивание сырья (пшеничный помол, характеризующийся 90–95% проходом через сито d = 1,0 мм) с водой при гидромодуле 1:3, внесение ферментного препарата разжижающего действия (в дозировке 1,5–2,0 ед. АС/г условного крахмала сырья), нагрев замеса до температуры 50 °С и выдержку в течение 30 мин (пауза 1). Затем повышение температуры до 70–75 °С. Смесь выдерживают при данной температуре с перемешиванием среды в течение 2–2,5 ч (пауза 2). Затем идет обработка замеса при температуре 80–95 °С и длительности 60 мин (пауза 3). Полученную разваренную массу охлаждают до температуры осахаривания 56–58 °С, вносят ферментный препарат осахаривающего действия (в дозировке 6,0 ед. Гл С/г условного крахмала сырья), массу при данной температуре выдерживают в течение 30 мин (пауза 4).

Этот способ позволяет получить спирт по низкотемпературным режимам разваривания с минимальными потерями. Он был выбран для получения концентрированного сусла путем смешивания А-крахмала и В-крахмала. Процесс получения сусла заключался в следующем: освобожденное от примесей увлажненное зерновое сырье дробили и просеивали на трехпозиционном рассеве, отделяя отруби. При этом проход через сита диаметром 0,16–0,25 мм должен составлять не менее 85–100%. Полученную муку смешивали с подогретой до 50 °С водой в соотношении 1,5:1,0, вносили целлюлолитический ферментный препарат «Висколаза» в дозировке 0,01% к массе целого зерна. Ферментный препарат содержит в своем составе β-глюканазу, кси-ланазу и целлюлазу, которые обеспечивают эффективный гидролиз некрахмальных полисахаридов: целлюлозы и гемицеллюлозы, а также оболочек и клеточных стенок сырья. Замес гомогенизировали, после чего полученную суспензию в гидроциклонах разделяли на два потока. Первый поток содержит А-крахмал и пищевые волокна, второй поток – глютен, В-крахмал, пентозаны и растворимые белки. А-крахмал промывали, глютен и В-крахмал разделяли с одновременной промывкой на барабанных ситах, выделенный глютен высушивали.

Были проведены исследования по выбору ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия; изучена возможность снижения их норм дозировок; подобраны оптимальные температурно-временные режимы водно-тепловой и ферментативной обработки.

На начальном этапе осуществляли подбор ферментных препаратов амилолитического действия, предназначенных для получения крахмалистого сусла с повышенным содержанием сухих веществ после выделения из него клейковины.

Все жидкие потоки, образующиеся в процессе извлечения клейковины, направляли на ферментацию в спиртовое производство. При этом содержание сухих веществ сусла составляет 20–24% масс.

Были использованы два ферментных препарата разжижающего действия, которые являются термостабильными (рисунок 1, 2). Эксперименты проводились на двух образцах сусла, результат биохимических показателей которых представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Показатели качества осахаренного сусла в зависимости от дозировок амилолитических ферментных препаратов разжижающего действия

Table 1.

The indicators of the quality of saccharified wort depending on the dosages amilli actual enzyme preparations razzia-super action

Ферментный препарат Enzyme	Содержание СВ сусла Wort WD	Дозировка ФП, ед. АС/г условного крахмала Enzyme dosages	Содержание в сусле Content in wort			Аминный азот, мг/100 см3 Amine nitrogen, mg/100 ml	Видимая доброкачественность, % The visible purity, %
			СВ, % мас. DM, wt. %	ОРВ, г/100 см3 ODS, g/100 ml	РВ, г/100 см3 RV, g/100 ml
Thermofarm 3500L	16–18%	2	17,8	12,5	8,6	13,4	68,8
	20–24%	0,5	23,8	13	7,6	17,2–21,4	58,5
		0,7		15,41	10,2		66,1
		1		20,63	17,6		85,3
		1,2		21,08	18,1		85,86
		1,5		21,12	18,3		85,9
Termamyl 120L	16–18%	2	17,6	12,5	8,5	13,2	68,0
	20–24%	0,5	23,5	11	7,0	16,4–19,8	58,3
		0,7		13,46	8,9		66,1
		1		19,5	16,0		82,0
		1,2		19,8	16,2		81,8
		1,5		20,0	16,3		81,5

Результаты и обсуждение

Вид препарата оказывает влияние на концентрацию сусла и количество сбраживаемых углеводов при одинаковой продолжительности механико-ферментативной обработки. На первом этапе варьировали дозировки внесения ферментных препаратов разжижающего действия от 0,5 до 2,0 ед. АС/г условного крахмала сырья.

Thermofarm 3500L

Termamyl 120L

Рисунок 1. Зависимость содержания редуцирующих веществ от дозировок разжижающих ферментных препаратов

Figure 1. Dependence of the content of reducing substances on the dosages of diluting enzyme preparations

Thermofarm 3500L                          Termamyl 120L

Рисунок 2. Зависимость содержания общих редуцирующих веществ от дозировок разжижающих ферментных препаратов

Figure 2. Dependence of the content of General reducing substances on the dosages of diluting enzyme preparations

Thermofarm 3500L

Termamyl 120L

Рисунок 3. Зависимость доброкачественности сусла от дозировок разжижающих ферментных препаратов

Figure 3. The dependence of the quality of wort from the dosages of diluting enzyme preparations

Из рисунков 1 –3 видно, что использование в качестве разжижающего препарата Термоферм 3500 L в дозировке 0,5 ед. АС/г условного крахмала позволяет повысить содержание общих редуцирующих веществ по сравнению с суслом, полученным по стандартной технологии, на 20–35%. Содержание редуцирующих веществ при дозировке 0,5 ед. АС/г условного крахмала составляет 13 г/100 см³, тогда как при дозировке 1 ед. АС/г у.с.к. – 20,6 г/100 см³.

Вероятно, это связано с тем, что использование целлюлолитических ферментных препаратов в технологии получения концентрированного сусла интенсифицирует процесс гидролиза клеточных стенок и оболочек сырья, что улучшает доступ амилолитических ферментов к крахмалу и повышает степень его использования [7–10].

Дальнейшее увеличение дозировки ферментного препарата не приводит к значительному увеличению общих редуцирующих веществ.

При применении в качестве разжижающего ферментного препарата Термамил 120 L максимальное содержание общих редуцирующих веществ наблюдали при дозировке 1 ед. АС/г условного крахмала – 19,5 г/100 см3. При дальнейшем увеличении дозировки содержание общих редуцирующих веществ увеличилось незначительно на 1,5–2,0%.

Применение в качестве разжижающего препарата Термоферм 3500 L позволяет получить сусло с максимальной концентрацией сухих веществ, сбраживаемых углеводов и восстанавливающих сахаров. При этом показатель видимой доброкачественности сусла при использовании Термоферм 3500 L составил 85,8, что превышает соответствующие значения для Термамил 120 L. Максимальное содержание аминного азота сусла проявляется при использовании ферментного препарата Термоферм 3500 L при дозировке 1,0–1,2 ед. АС/г условного крахмала и составляет 17–21 мг/100 см3, тогда как при использовании ферментного препарата Термамил 120 L количество аминного азота колеблется от 16,5 до 20 мг/100 см3.

Исходя из полученных результатов ферментный препарат Термоферм 3500 L будет использован нами в качестве разжижающего при переработке концентрированного сусла.

На следующем этапе работы сравнивали основные показатели качества бражки, полученной по предполагаемой и классической технологии, варьируя дозировки осахаривающих ферментных препаратов от 2 до 8 ед. ГлА/г условного крахмала.

При температуре 56–58 °С проводили осахаривание в течение 30 мин. Использовали Биозим 800 L и Сан Супер 360 L [1].

При температуре 28–30 °С проводили сбраживание в течение 48–72 ч с использованием дрожжей расы XII. Вносили 15 млн/см³ дрожжей. Влияние изучаемых факторов на сбраживание концентрированного сусла контролировали по концентрации спирта, содержанию несброжен-ных углеводов, содержанию нерастворенного крахмала [2] (таблица 2) .

Таблица 2.

Показатели качества бражки в зависимости от дозировок осахаривающих ферментных препаратов

Table 2.

Indicators of the quality of the brew depending on the dosages enzyme

Ферментный препарат Enzyme	Содержание СВ сусла Wort WD	Дозировка ферментного препарата, ед. ГлА/г у.к Enzyme dosages	Растворенные несброженные УВ, г/100 см3 Dissolved unfermented hydrocarbons, g/100 ml	Нерастворенный крахмал, г/100 см3 Undissolved starch, g/100 ml	Концентрация спирта Alcohol concentration
Биозим 800 L Biozim 800 L	16–18%	7,5	0,3	0,180	7,9
	20–24%	2	0,41	0,171	8,3
		4	0,38	0,100	8,5
		6	0,32	0,025	8,9
		7	0,29	0,090	9,1
		8	0,27	0,098	9,1
Сан Супер 360 L San Super 360 L	16–18%	7,5	0,31	0,185	7,5
	20–24%	2	0,45	0,180	7,8
		4	0,4	0,120	7,9
		6	0,35	0,030	8,5
		7	0,34	0,101	8,3
		8	0,3	0,099	8,2

18 %                                      18 % масс                                           масс

Биозим 800 L

Biozim 800 L

Сан Супер 360 L

San Super 360 L

Рисунок 4. Зависимость растворенных несброженных углеводов от дозировок осахаривающих ферментных препаратов

Figure 4. The dependence of dissolved unfermented carbohydrates from the dosages enzyme

При использовании в качестве осахаривающего ферментного препарата Биозим 800 L (рисунок 4) снизилось количество растворенных несброженных углеводов с 0,41 до 0,27 г/100 см³, количество нерастворенного крахмала – с 0,171 до 0,098 г/100 см³, а концентрация спирта повысилась с 8,3 до 9,1% об.

Использование препарата Биозим 800 L дает сусло с максимальной концентрацией этанола. Так, при использовании ферментного препарата

Биозим 800 L при дозировке 7 ед. ОС/г условного крахмала концентрация спирта – 9,1% об., тогда как при использовании ферментного препарата Сан Супер 360 L при той же дозировке содержание спирта составило 8,3% об. Поэтому препарат Биозим 800 L выбран в качестве лучшего.

Снижение дозировки осахаривающего препарата Биозим 800 L с 7 ед. ГлА на 1 т условного крахмала нормой до 4 ед. ГлА сопровождалось ухудшением таких показателей сусла, как массовая доля сбраживаемых углеводов и восстанавливающих сахаров, хотя концентрация сухих веществ в нем при этом практически не изменялась.

Третий этап исследований был посвящен изучению процесса сбраживания концентрированного сусла в зависимости от дозировки осахаривающего ферментного препарата Биозим 800 L. Брожение осуществляли при температуре 28–30 °С. В процессе брожения определяли динамику выделения СО 2 . Препарат Биозим 800 L, вносили в дозировке 5–8 ед. ГлА/г условного крахмала.

На рисунке 5 представлена сравнительная характеристика процесса динамики выделения СО 2 , полученного с внесением Биозим 800 L.

В начале брожения (рисунок 5) имеется небольшая лаг-фаза, длящаяся около 2 ч. На ее продолжительность дозировка ферментного препарата практически не оказывает влияния.

Пробы сусла ставили на брожение в емкости объемом 1,5 дм3 с гидрозатвором. Сбраживание осуществляли периодическим способом при температуре 28–30 °С. Сбраживали с использованием дрожжей расы XII (количество дрожжей составило 15 млн/см3) методом Варбурга. В двух других емкостях на 1,5 дм3 измеряли интенсивность выделения углекислого газа, где объем бродящей жидкости оставался неизменным в течение всего процесса брожения.

Продолжительность сбраживания, ч Duration of fermentation, h

Рисунок 5. Зависимость выделения углекислого газа от продолжительности сбраживания и различных дозировок ферментного препарата Биозим 800 L

Figure 5. The dependence of the release of carbon dioxide on the duration of fermentation and different dosages of the enzyme preparation Biosim 800 L

Далее наступает более интенсивное выделение СО 2 , что свидетельствует о наступлении главного брожения, при котором происходит интенсивное сбраживание углеводов, длящееся 24–26 ч. Установлено, что при использовании Биозим 800 L в дозировке 8,0 ед. ГлА/г условного крахмала брожение начинается через 18–20 ч, при дозировке 6,0 ед. ГлА/г условного крахмала – через 20–24 ч, при снижении дозировки до 2 ед. ГлА/г условного крахмала – через 30–32 ч.

Затем количество выделяющегося углекислого газа постепенно уменьшается, что говорит о наступлении стадии дображивания, которая занимает 2/3 времени брожения. При использовании ферментного препарата Биозим 800 L в дозировке 8,0 ед. ГлА/г брожение заканчивается к 55 ч. Использование препарата способствует повышению физиологической активности дрожжей и улучшению показателей сбраживания сусла.

Это можно объяснить тем, что бражка обогащена водорастворимыми фракциями белка, а также аминокислотами, витаминами, макро-и микроэлементами, что позволяет интенсифицировать процесс брожения с 72 до 54 ч, так как дрожжи обогащены дополнительным азотным питанием.

Заключение

Проведены исследования биохимических свойств продуктов и полупродуктов при разработке комплексной технологии переработки зернового сырья. Подобраны ферментные препараты различного спектра действия, а также технологические режимы водно-тепловой обработки, позволившие на 1,5 ч снизить продолжительность процесса. Изучены технологические аспекты, связанные с переработкой концентрированного сусла. Проведены исследования