Разработка технологии этанола из ик-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла
| Вид материала | Автореферат |
- Роль эндогенных и микробных фитаз в процессе получения и сбраживания ржаного сусла, 367.49kb.
- Разработка основ технологии получения углеродного нанокристаллического материала, 347.11kb.
- Актуальные проблемы селекции кормового ячменя полонский В. И. Красноярский государственный, 107.74kb.
- Постоянные магниты на основе магнитопластов для приборов электронной техники (разработка, 308.58kb.
- Внедрение новых технологий переработки ячменя и овса для получения продуктов функционального, 94.79kb.
- Методическая разработка урока «Получение и химические свойства предельных одноатомных, 36.8kb.
- Задание на проектирование Рассчитать оборудование для стадии выщелачивания исходного, 48.05kb.
- Разработка и строительство экологически безопасной технологии производства кремния, 48.31kb.
- Разработка технологии и инструмента для непрерывного деформационного получения ультрамелкозернистой, 291.68kb.
- Методические рекомендации по написанию курсовых работ по специальности 030501. 65 (021100), 291.99kb.
В связи со сложившейся ситуацией в спиртовой отрасли на первый план в настоящее время выходят проблемы экологического характера, обусловленные необходимостью полной утилизации послеспиртовой барды. Самый реальный путь их решения заключается в получении и сбраживании концентрированного сусла. Однако он ведет к резкому увеличению вязкости перерабатываемых сред. Особенно остро этот вопрос встает при водно-тепловой и ферментативной обработке концентрированной массы, полученной при переработке зерна ячменя, в том числе и ИК-обработанного.
Параметры, влияющие на реологические характеристики при получении концентрированного сусла
При получении концентрированного сусла из ячменя в качестве варьируемых параметров исследовались: характеристика сырья (исходный и ИК-обработанный ячмень), гидромодуль, норма дозировки разжижающего ферментного препарата (выбранного ранее Термамила SC). Процесс контролировали путем снятия экспериментальных амилограмм. Установлено, что с уменьшением гидромодуля (с 1 : 3,5 до 1 : 2,0) закономерно возрастает показатель максимального усилия перемешивания (Fmax) с 0,6 Н до 4,5 Н для замесов, полученных из ИК-обработанного ячменя. Технологичными с позиции вязкости являются среды, в которых Fmax находится на уровне 0,5-0,7 Н. Обсчет экспериментальных кривых по Ауд приведен в таблице 2.
Таблица 2 - Изменение показателя энергии деструкции крахмала сырья в зависимости от гидромодуля
| Гидромодуль | Энергия деструкции крахмала (Ауд), Дж/г | |
| Исходный ячмень | ИК-обработанный ячмень | |
| 1 : 3,50 | 0,852 | 0,690 |
| 1 : 3,25 | 1,010 | 0,873 |
| 1 : 3,00 | 1,501 | 1,459 |
| 1 : 2,75 | 1,608 | 1,529 |
| 1 : 2,50 | 2,907 | 2,704 |
| 1 : 2,25 | 2,924 | 2,287 |
| 1 : 2,00 | 5,776 | 5,506 |
Установлено, что абсолютное значение Ауд для проб, полученных с использованием ИК-обработанного ячменя, меньше, чем для проб с применением исходного ячменя. Данный факт связан с повышением ферментативной атакуемости крахмала микронизированного зерна и является позитивным для отрасли. Также показано, что при норме дозировке Термамила SC 0,4 ед АС/г условного крахмала сырья гидромодуль не должен быть меньше 1 : 3,0 - 1 : 3,25, поскольку при дальнейшем снижении гидромодуля Fmax превышает выбранное допустимое значение.
Исходя из вышеперечисленного, существует два возможных варианта решения проблем, связанных с вязкостью сред на стадии получения концентрированного сусла.
В качестве первого решения может быть предложен вариант с увеличенной нормой дозировки разжижающего ферментного препарата. В таблице 3 приведены данные по влиянию норм дозировок Термамила SC на параметры амилограмм.
Таблица 3 - Влияние нормы дозировки Термамила SC на параметры амилограмм
| Норма дозировки Термамила SC, ед АС/г условного крахмала сырья | Параметры амилограмм | |||
| 1 : 2,5 | 1 : 2,0 | |||
| Fmax, Н | Ауд, Дж/г | Fmax, Н | Ауд, Дж/г | |
| 0,4 | 1,70 | 2,704 | 4,48 | 5,506 |
| 0,6 | 1,73 | 2,557 | 4,40 | 5,249 |
| 0,8 | 1,44 | 2,315 | 3,47 | 4,620 |
| 1,2 | 1,24 | 2,172 | 3,30 | 4,399 |
Показано, что, несмотря на внесение повышенного количества разжижающего ферментного препарата, не удается при гидромодулях 1 : 2,5 и 1 : 2,0 получать технологичные среды. Так, при увеличении количества Термамила SC в 1,5; 2,0; 3,0 раза энергия деструкции крахмала снижается лишь на 5,0, 15,0 и 20,0 % соответственно.
Поэтому следующим этапом работы являлась разработка мультэнзимных композиций при получении концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя.
Разработка мультэнзимных композиций
Для решения проблем, связанных с вязкостью сред при получении концентрированного сусла специалисты используют различные ферментные препараты, обладающие целлюлазной, ксиланазной, β-глюканазной и другими активностями. При этом для выбора наилучшего препарата необходимо учитывать его субстратную специфичность. Для производства концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя такой подбор ранее не осуществлялся.
На первом этапе выбор мультэнзимной композиции (МЭК) осуществляли с применением Термамила SC и ферментных препаратов целлюлазного и гемицеллюлазного действия (Шеарзим 500 L, Вискоферм, Зимафилт Л-300, Брюзайм BGP). Дополнительные ферментные препараты использовали в дозировке 0,2 ед β-ГкС/г условного крахмала сырья.
На рисунке 1 представлены данные по динамике изменения вязкости замесов, полученных из ИК-обработанного ячменя с применением ферментных препаратов целлюлазного и гемицеллюлазного комплекса. При составлении мультэнзимной композиции норма внесения Термамила SC составляла 0,4 ед АС/г условного крахмала.
Рисунок 1 - Динамика изменения вязкости замесов при использовании ферментных препаратов целлюлазного и гемицеллюлазного действия
Установлено, что использование МЭК, в состав которой, кроме Термамила SC, входят целлюлолитические ферментные препараты, уменьшает показатель Fmax в 1,5-7,0 раз. Также показано, что наибольшая эффективность по снижению вязкости замесов в ходе их ферментативной обработки выявлена при применении мультэнзимной композиции, состоящей из Термамила SC и Вискоферма (далее по тексту МЭК-1).
Исследование влияния нормы дозировки Вискоферма (от 0,05 до 0,50 ед β-ГкС/г условного крахмала сырья) в МЭК-1 на параметры амилограмм показало, что технологичными являются среды, полученные с использованием МЭК-1, в состав которой входит Вискоферм в количестве 0,05-0,10 ед β-ГкС/г условного крахмала сырья.
Ранее проведенные исследования биохимических показателей качества ИК-обработанного зерна показали, что микронизация приводит к снижению растворимости белков сырья при одновременном повышении их ферментативной атакуемости. Учитывая данный факт, в настоящей работе проведены исследования по созданию мультэнзимной композиции, в состав которой, кроме амилолитических ферментов разжижающего действия, входят активные протеазы. В качестве последних использовали Нейтразу 0,8 L, Алкалазу 2,4 L FG, Максазим NNP DS+.
Графический материал рисунка 2 показывает, что реологические свойства обрабатываемых сред меняются в зависимости от применяемого препарата протеолитического действия. К примеру, Fmax при использовании Алкалазы 2,4 L FG и Максазима NNP DS+ снижается в среднем на 40,0-70,0 %, а при использовании Нейтразы 0,8 L в 4,5 раза. Поэтому данный ферментный препарат рекомендован при разработке МЭК, в состав которой входят амилолитический препарат разжижающего действия и препарат, содержащий активную протеазу (далее по тексту МЭК-2).
Рисунок 2 - Динамика изменения вязкости замесов при использовании ферментных препаратов протеолитического действия
Также как и при разработке МЭК-1, в МЭК-2 выявлено влияние норм дозировок Нейтразы 0,8 L на параметры амилограмм, на основании которых рекомендована норма дозировки – не менее 0,20 ед ПС/г условного крахмала сырья.
Изучение свойств образцов крахмала, полученных из исходного и ИК-обработанного ячменя
Для обоснования механизма действия разработанных мультэнзимных композиций в работе были проведены исследования по изучению свойств образцов крахмала из исходного и ИК-обработанного зерна, в том числе на стадии их ферментативной обработки Термамилом SC (Контроль), МЭК-1 (Опыт I), МЭК-2 (Опыт II).
Полученные образцы крахмала были проанализированы по качественным характеристикам согласно ГОСТ 7698-93. Установлено (таблица 4), что данные показатели исследованных проб крахмала существенно отличаются. Так, крахмал, полученный из ИК-обработанного ячменя, содержит почти в 2,0 раза больше белка, чем крахмал из исходного зерна.
Таблица 4 - Характеристика показателей качества образцов крахмала, полученных из исходного и ИК-обработанного ячменя
| Показатели | Образцы крахмала | |
| Исходный ячмень | ИК-обработанный ячмень | |
| Влажность, % | 6,00 | 9,90 |
| Зольность, % | 0,25 | 0,26 |
| Белок, % | 0,36 | 0,65 |
| Кислотность, см3 0,1 н NaOH | 12,77 | 10,54 |
Также в работе приведены микрофотографические исследования выделенных образцов крахмала с использованием системы для микроскопии LEICA DMLM (рисунок 3). Графический материал дает возможность увидеть в крахмале, полученном из микронизированного ячменя, наличие белковых глобул, что согласуется с данными таблицы 4, и предположительно связано с денатурацией белков исходного сырья под действием ИК-обработки. Денатурированные белки более прочно связываются с крахмальными гранулами, и, именно это, является следствием изменения свойств образцов крахмала.
А Б
Рисунок 3 - Микрофотографии образцов крахмала: А – крахмал, полученный из исходного ячменя; Б – крахмал, полученный из ИК-обработанного ячменя
Отдельная серия экспериментов посвящена влиянию применяемых ферментных препаратов на динамику изменения количества крахмальных зерен в процессе ферментативного гидролиза, при котором теоретически мог происходить либо разрыв связей между слипшимися крахмальными зернами, что сказывалось на повышении их количества, либо ферментативное разрушение отдельных гранул (в этом случае процесс сопровождался снижением количества крахмальных зерен). В конкретных опытах, скорее всего, протекали оба процесса, и прибор фиксировал общий результат после данного воздействия. В таблице 5 приведены данные по изменению количества крахмальных зерен в процессе ферментативной обработки.
Таблица 5 - Динамика изменения количества крахмальных зерен в процессе ферментативной обработки
| Длительность обработки, мин | Количество крахмальных зерен, % от исходного | |||||
| Крахмал из исходного ячменя | Крахмал из ИК-обраб. ячменя | |||||
| Термамил SC | МЭК-1 | МЭК-2 | Термамил SC | МЭК-1 | МЭК-2 | |
| 0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
| 15 | 93,0 | 85,4 | 96,7 | 104,8 | 99,1 | 92,3 |
| 30 | 95,8 | 86,3 | 94,2 | 103,2 | 95,9 | 91,5 |
| 45 | 97,5 | 83,5 | 94,5 | 99,6 | 85,0 | 105,5 |
| 60 | 99,7 | 82,1 | 94,2 | 101,6 | 81,2 | 105,2 |
Установлено, что при применении МЭК-1, наблюдается закономерное снижение количества крахмальных зерен при увеличении длительности обработки. Данная закономерность выявлена как при использовании крахмала, выделенного из исходного ячменя, так и из микронизированного. Обработка образцов крахмала МЭК-2, в состав которой входит активная эндопротеаза, зависит от используемой пробы крахмала. Процесс ферментативного гидролиза пробы, полученной из ИК-обработанного ячменя, носит сложный характер. Первый этап обработки характеризуется снижением количества крахмальных зерен, а последующий – их повышением. Последнее может быть связано с разрушением агломератов, соединяющих отдельные крахмальные зерна.
Для подтверждения выдвинутого предположения приводятся фотографии, полученные после ферментативной обработки крахмала, выделенного из микронизированного ячменя, с использованием Термамила SC, МЭК-1 и МЭК-2 (рисунок 4).
Показано, что обработка крахмала ячменя Термамилом SC приводит к разрушению только единичных крахмальных гранул. Большая же их часть характеризуется целостностью (А). Применение МЭК-1 (Б), в состав которой входит Вискоферм, сопровождается разрушением крахмальных гранул и образованием трещин, однако, целостность внешней поверхности в большинстве зерен сохраняется. Использование МЭК-2 (В), содержащей активную протеазу, напротив, приводит к гидролизу веществ, входящих в состав поверхности крахмальной гранулы, а также частичному разрушению внутренней части крахмального зерна.
А Б В
Рисунок 4 - Микрофотографии крахмальных гранул, подвергнутых ферментативной обработке Термамилом SC (А), МЭК-1 (Б), МЭК-2 (В)
Сравнительная характеристика показателей качества сусла
Характер и глубина процессов, происходящих на стадии получения осахаренного сусла, зависят от способов и режимов переработки сырья, а также его технологических свойств. При решении вопросов получения концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя необходимо было выявить наиболее проблемные с позиции вязкости этапы водно-тепловой и ферментативной обработки.
Сначала были проведены исследования при гидромодуле 1 : 3,5 для выявления значения, соответствующего времени истечения пробы из исходного зерна, которое далее в работе принималось за предельно допустимое. Результаты показали, что максимальная вязкость в процессе получения разваренной массы наблюдается при повышении температуры обработки до t = 65-70 оС. Данное значение для исходного зерна составляло порядка 10 секунд, а для ИК-обработанного возрастало до 25 секунд.
Выбрав предельно допустимое значение времени истечения пробы (τ = 10 секунд), были проведены эксперименты по влиянию ряда факторов в процессе получения разваренной массы, которую получали по двум вариантам: Вариант I – режим Регламента; Вариант II – вторая стадия обработки при температуре t = 65-70 оС снята. На данном этапе исследований гидромодуль соответствовал 1 : 2,5.
Первым варьируемым фактором являлась степень дробления ячменя. В таблице 6 представлены данные по динамике изменения вязкости в процессе получения разваренной массы, полученной по Варианту I. Установлено, что время истечения пробы при производстве концентрированного сусла по сравнению с неконцентрированным, существенно увеличивается: для замесов, полученных из исходного ячменя, с 10 секунд до 230-240 секунд, а для образцов, полученных из микронизированного ячменя, среды являются полностью нетехнологичными.
Аналогичные эксперименты были проведены при получении разваренной массы по Варианту II. Показано, что при дозировке Термамила SC 0,4 ед АС/г условного крахмала сырья даже в Варианте II абсолютное значение времени истечения пробы выше допустимого (τ = 10 секунд).
Таблица 6 - Динамика изменения вязкости в процессе получения разваренной массы из исходного и ИК-обработанного ячменя в зависимости от степени дробления
| Стадия отбора пробы | Время истечения пробы, с | ||||||||
| Проход через сито диаметром, % | |||||||||
| t, оС | τ, ч | d = 1,0 мм, 80 % | d = 1,0 мм, 100 % | d = 0,8 мм, 100 % | d = 0,56 мм, 100 % | ||||
| Исх. | ИК | Исх. | ИК | Исх. | ИК | Исх. | ИК | ||
| 45-50 | 0,5 | 6 | 57 | 25 | 121 | 65 | н/т | 58 | н/т |
| 65-70 | 0,5 | 236 | н/т | 240 | н/т | 230 | н/т | 245 | н/т |
| 65-70 | 1,0 | 197 | н/т | 204 | н/т | 207 | н/т | 214 | н/т |
| 65-70 | 1,5 | 180 | н/т | 160 | н/т | 110 | н/т | 115 | н/т |
| 95-98 | 0,5 | 60 | 160 | 31 | 230 | 29 | 270 | 20 | 230 |
| 95-98 | 1,0 | 60 | 180 | 31 | 200 | 28 | 130 | 21 | 90 |
| 95-98 | 1,5 | 62 | 125 | 33 | 180 | 30 | 128 | 22 | 95 |
Следующий этап исследований по получению концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя проводили на помоле, характеризующемся 100 %-ным проходом через сито диаметром d = 0,56 мм с использованием в контроле ферментного препарата Термамил SC, в опытах – МЭК-1 и МЭК-2, причем норма внесения Термамила SC во всех вариантах составляла 0,4 ед АС/г условного крахмала сырья. Установлено, что выбранные на основании изучения динамики изменения вязкости замесов мультэнзимные композиции, позволили достичь показателя времени истечения пробы на уровне τ = 3-7 секунд в зависимости от варианта получения.
Однако, кроме вязкости, процесс должен характеризоваться и показателями качества получаемых продуктов. Анализ данных по содержанию сухих веществ в разваренной массе показал, что динамика изменения данного показателя зависит от варианта получения сусла и степени дробления сырья, однако конечное содержание С.В. в ней одинаково, а поэтому с экономической точки зрения нецелесообразно получать более мелкий помол, чем принят в отрасли. Применение мультэнзимных композиций в целом увеличивает содержание сухих веществ в разваренной массе на 0,4-3,2 %.
В таблице 7 приведены данные по влиянию варианта получения разваренной массы и применяемых ферментных препаратов на качественные характеристики образцов сусла. Установлено, что содержание сухих и редуцирующих веществ (РВ) практически не зависит от температурно-временных режимов обработки замеса. Вместе с тем, содержание общих редуцирующих веществ (ОРВ) при получении разваренной массы контрольных и опытных образцов по Варианту I выше на 1,4-2,7 %, чем по Варианту II. Данный факт связан с тем, что наибольшее влияние на процесс накопления ОРВ в сусле оказывает Термамил SC, оптимальные условия действия которого, ближе к Варианту I.
Таблица 7 - Сравнительная характеристика показателей качества концентрированного сусла
| Показатели сусла | Вариант I | Вариант II | ||||
| Контроль | МЭК-1 | МЭК-2 | Контроль | МЭК-1 | МЭК-2 | |
| Массовая доля, %: - С.В. - ОРВ - РВ - аминный азот Кислотность, град рН | 20,80 14,76 5,40 0,03 0,28 5,79 | 21,20 16,84 10,34 0,03 0,28 5,75 | 21,20 16,34 10,1 0,04 0,32 5,68 | 20,80 13,33 5,50 0,03 0,25 5,76 | 21,00 14,85 8,27 0,03 0,27 5,73 | 20,60 13,57 10,0 0,05 0,35 5,67 |
В качестве второго фактора, который мог оказать влияние на качественные характеристики сусла, в работе исследована интенсивность механического воздействия на обрабатываемое сырье. Условно приняты три варианта: неинтенсивное перемешивание на всех стадиях получения (Вариант А), интенсивное перемешивание (Вариант Б) и без перемешивания на стадии при температуре t = 45-50 оС, с дальнейшим интенсивным перемешиванием на всех остальных стадиях (Вариант В). Цель последнего эксперимента – выявить прочность соединения определенных ферментов с субстратом и скорость образования фермент-субстратного комплекса. Выполненные исследования показали, что более интенсивное перемешивание среды на этапах водно-тепловой и ферментативной обработки замеса позитивно влияет на процесс получения концентрированного сусла. Вместе с тем, при применении МЭК-1, максимальное содержание ОРВ в сусле обнаружено в Варианте В. При использовании МЭК-2, данный вариант практически не оказывает влияния на качественные характеристики сусла.
Третьим фактором, который мог оказать влияние на характеристики концентрированного сусла, были нормы дозировок Вискоферма и Нейтразы 0,8 L в МЭК, которые варьировали в пределах 0,1-0,4 ед ЦС (ПС)/г условного крахмала сырья. Предварительно рекомендована норма внесения Вискоферма и Нейтразы 0,8 L в МЭК-1 и МЭК-2 – 0,2 ед ЦС (ПС)/г условного крахмала сырья соответственно. При данной дозировке были получены опытные образцы сусла, которые исследованы по содержанию отдельных сахаров (таблица 8).
Таблица 8 - Влияние вида мультэнзимной композиции на состав сахаров сусла
| Образцы сусла | Массовая доля сахаров, % | ||||
| фруктоза | глюкоза | сахароза | мальтоза | мальтотриоза | |
| МЭК-1 | 0,37 | 5,88 | 0,24 | 3,93 | 3,55 |
| МЭК-2 | 0,05 | 7,40 | 0,19 | 4,36 | 0,15 |
Установлено, что суммарное содержание моно-, ди- и трисахаридов для образца сусла, полученного с использованием МЭК-1, составляет 13,97 %, МЭК-2 – 12,15 %. В то же время в последнем содержится больше глюкозы в среднем на 25,0 %, мальтозы - на 10,0 % и меньше более чем в 20 раз мальтотриозы. Можно предположить, что установленный факт связан, во-первых, с повышением ферментативной атакуемости крахмала сырья в результате высвобождения крахмальной гранулы из белковой оболочки под действием Нейтразы 0,8 L; во-вторых, с гидролизом β-глюкана и других некрахмальных полисахаридов ячменя при воздействии комплекса ферментов, входящих в состав Вискоферма. Сделанное предположение согласуется и с данными по определению β-глюкана. Его значение для проб, полученных с использованием МЭК-1 и МЭК-2, составляет соответственно 0,31 % и 0,51 %.