CC BY
70
663.531.2:577.15.024
НОВЫЕ АСПЕКТЫ БИОКОНВЕРСИИ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СПИРТА
С.В. ВОСТРИКОВ, Г.П. ШУВАЕВА, Г.Г. ГУБРИЙ, М.В. БОДНАРЬ
Воронежская государственная технологическая академия
Перспективным с точки зрения снижения энергозатрат и наиболее полного использования сырья при производстве спирта является применение технологии раздельной утилизации фракций оса-харенного затора, что позволит значительно повысить эффективность сбраживания сусла. В этом случае наиболее определяющие технологические процессы — гидролиз крахмала и разделение фракций.
Гидролиз крахмала — это мономолекулярная реакция, сущность которой заключается в разрыве а-1,4 и а-1,6 глюкозидных связей макромолекулы и присоединении по месту разрыва каждой связи молекулы воды. Поскольку а-1,6 глюкозидная связь в четыре раза прочнее а-1,4 глюкозидной связи, наряду с глюкозой образуются промежуточные продукты гидролиза — декстрины и олигосахариды. Крахмал может полностью превращаться в глюкозу только при очень малом его содержании в растворе.
Применение ферментных препаратов в качестве катализаторов при осахаривании крахмала позволяет сохранить пищевую ценность крахмалопро-дуктов, избежать нежелательных примесей. Благодаря специфичности ферментов метод ферментативного гидролиза дает возможность регулировать углеводный состав крахмалопродуктов. Особенно большое значение имеет специфичность ферментов и их лабильность по отношению к условиям внешней среды в процессах, где гидролизуется не чистый крахмал, а крахмалсодержащее сырье.
Таким образом, применение целевых ферментов позволит достичь максимального осахаривания при переработке крахмалсодержащего сырья. Однако это не снимает проблем, стоящих перед спиртовой промышленностью: увеличение выхода спирта без повышения энергозатрат, утилизация барды и т.д. Одним из путей их решения, на наш взгляд, является разделение на твердую и жидкую фазы осахаренных заторов перед сбраживанием. Цель наших исследований — разработать режимы осахаривания разваренной массы и последующего фракционирования сусла.
В работе использовали ферментные препараты амилосубтилин ПОх и глюкаваморин ГЗх, выпускаемые отечественной промышленностью. Глюко-амилазную активность определяли глюкозоокси-дазным методом с применением препарата ”Ново-глюк”, под влиянием которого при окислении /?-/)-глюкозы кислородом воздуха при каталитическом действии глюкозооксидазы образуется экви-молярное количество перекиси водорода. Под действием пероксидазы перекись водорода окисляет
4-аминоантипирин в присутствии фенола в окрашенное соединение розово-малинового цвета, определяемое фотометрически [ 1 ]. Активность а-ами-лазы определяли йодометрическим методом [2], количество спирта в бражном дистилляте — на интерферометре по методу, разработанному ВНИИПрБ. Растворимые сбраживаемые углеводы в полупродуктах из крахмалсодержащего сырья определяли колориметрическим антроновым методом, разработанным ВНИИПрБ, учитывая суммарное содержание сбраживаемых углеводов, состоящих из декстринов и сахаров в фильтратах.
На скорость гидролиза крахмала влияют концентрация ферментов, температура, концентрация водородных ионов — pH. С увеличением дозы осаха-ривающих материалов (при одинаковой их ферментативной активности, учете специфики действия и других условий) возрастает скорость образования эффективных фермент-субстратных комплексов, а следовательно, скорость гидролиза крахмала. Поэтому, разрабатывая режимы осахаривания, весьма важно не пренебречь именно этими факторами.
Оптимальная температура осахаривания не совпадает с оптимальной температурой действия амилаз. Частичная инактивация амилаз при осахаривании весьма вероятна. Для сохранения их активности температура в первой стадии осахаривания не должна превышать оптимальную, лучше она будет несколько ниже, тем более, что постепенное повышение концентрации углеводов в сусле защищает амилазы, повышая их термостабильность. В условиях производства температуру поддерживают в пределах 57-58°С. Меньшая температура нежелательна, так как может способствовать развитию посторонней микрофлоры [3].
Поэтому прежде всего мы исследовали действие температурного фактора на активность осахарива-ющего фермента — глюкоамилазы, учитывая, что по литературным данным оптимальная температура для действия а-амилазы В. яиЫШз 65~70°С, а глюкоамилазы А. ахюатоп — 60°С [4].
Нами проведено исследование кинетики термической инактивации глюкоамилазы у препарата глюкаваморин ГЗх отечественного производства. Термостабильность определяли в интервале температур 55-65°С в фосфатно-цитратном буфере с pH 4,5 и ионной силой р 0,06 — без крахмала и с его добавлением в количестве 2%.
Влияние температуры на ферментативную реакцию по существу не отличается от влияния ее на любые другие реакции, поэтому определенные количественные характеристики этого явления основываются на классических принципах термодинамики и кинетики. Поскольку термическая инактивация подчиняется уравнению реакции первого порядка [5], нами были рассчитаны константы
.15.024
ЕГО
в окра-зта, оп-,а-гмп-ом [2],
| — на шому [леводы сырья м мето-[уммар-!состоя-
[онцен-дия во-[ осаха-к фер-дейст-образо-комп-а крах-сарива-этими
не сов-1Я ами-:ахари-актив-теания не она генное ! защи-эсть. В швают неже-витию
иствие ;арива-1Я, что [ерату-Ю°С, а
герми-парата >дства. темпе-е с pH 1 с его
) реак-ее на ые ко-: осно->дина-мкти-“рвого танты
скорости инактивации, которые выражались не через концентрацию фермента, а через его активность, так как последняя определялась в строго стандартных условиях.
Таблица 1
Температура, 'С
55 60 65
т,ч 1Е] К ч ^ г,мин № г,мин [£] Кт,ч~1
0 1100 - 0 1100 - 0 1100 -
2 1083 0,0053 10 1089 0,059 10 402,6 6,00
4 1076 0,0055 20 1079 0,059 20 127,7 6,42
10 1032 0,0067 30 1067 0,059 30 60,5 6,60
24 995 0,0063 120 968 0,055 35 48,4 6,24
48 806 0,0064' 240 869 0,058 40 36,3 5,97
Как видно из табл. 1, термическая инактивация глюкоамилазы является типичной реакцией первого порядка. Максимальное отклонение частных значений К от среднего арифметического из 5-8 определении не превышает 12%, что вполне допустимо при кинетических исследованиях [6, 7]. Поэтому о кинетике термической инактивации глюкоамилазы можно судить по величине константы инактивации. Как следует из результатов, глюкоамилаза обладает достаточной термостабильностью для использования ее при осахаривании. Существенная инактивация отмечается лишь при температуре 65°С.
В фосфатно-цитратном буфере с крахмалом термостабильность фермента еще более возрастает, а именно, в присутствии субстрата величина Кш существенно снижается.
Расчет основных термодинамических функций инактивации фермента: энергии активации Ет, энтальпии АН , свободной энергии АР5* и энтропии Д5* — при переходном состоянии фермента из активной в неактивную форму, а также при гидролизе крахмала глюкоамилазой показал, что в
фермента. Увеличение А5* свидетельствует о снижении этой упорядоченности, нарушении различных типов связей, принимающих участие в образовании глобулы фермента, переходе ее в хаотический клубок.
Снижение, напротив, свидетельствует об упрочнении белковой глобулы за счет определенных конформационных изменений, связанных с образованием фермент-субстратного комплекса, который обладает более высокой устойчивостью к воздействию тепловой энергии по сравнению со случаем, когда глюкоамилаза находится одна в растворе. При увеличении температуры, вероятно, происходит обратимое изменение третичной структуры, изменяющее и геометрические параметры активного центра фермента.
Таким образом, использование указанного фермента при осахаривании обеспечит расщепление лишь крахмала с тем, чтобы все остальные компоненты сырья оставались не расщепленными и могли быть удалены из гидролизата при фильтрации.
По регламенту спиртового производства 11] разваренную массу до подкисления и введения в нее дрожжей осахаривают 15-25 мин. Дальнейшее расщепление крахмала и декстринов происходит уже в бродильных чанах, где одновременно под действием дрожжей сбраживаются сахара, накапливается спирт. Конечная концентрация спирта в бражке 8~10%об. Известно, что распад углеводов под действием а-амилазы происходит за первые 24 ч, после чего содержание их не снижается [8]. Так как глюкоамилаза осуществляет более глубокое расщепление субстратов на последующих стадиях процесса брожения, особое внимание в эксперименте уделяли влиянию спирта именно на этот фермент.
Спирт использовали в количествах, соответствующих возможным концентрациям его в бражке. Концентрацию фермента меняли от 0 до 3%, исходя из требований производства. Опыт проводили в динамике в течение 72 ч, периодически определяя в гидролизате прирост глюкозы и активность исследуемого фермента.
Влияние этилового спирта на активность 1%-го раствора глюкоамилазы препарата глюкаваморин ГЗх представлено в табл. 2.
Таблица 2
Концен- трация Продолжительность воздействия спирта, ч
0 1 2 24 72
спирта, %об. прирост глюкозы, мг/см3 ГлА, ед/г прирост глюкозы, мг/см3 ГлА, ед/г прирост глюкозы, мг/см3 ГлА, ед/г прирост глюкозы, мг/см3 ГлА, ед/г прирост глюкозы, мг/см3 ГлА, ед/г
0 66,59 1111 70,01 1108 70,01 1108 67,31 1103 66,59 1101
2 65,99 1101 69,35 1107 69,35 1107 68,63 1095 66,59 1094
3 66,41 1108 68,33 1090 67,97 1076 63,96 980 68,57 975
8 65,53 1110 68,33 1090 68,39 1076 63,96 970 63,24 975
10 66,53 1110 64,02 1018 64,02 1009 62,34 960 62,09 - 946
15 66,53 1105 64,02 1003 64,00 1000 62,30 942 62,01 938
присутствии крахмала наблюдается снижение Результаты показывают, что в данных условиях
Д5*, по величине которой можно судить о степени эксперимента глюкоамилаза А. ататоп достаточ-упорядоченности конформации белковой глобулы но стабильна.
Аналогичные данные получены для а-амилазы. При концентрации спирта 15% активность фермента за 48 ч в растворе с массовой долей его 1% снижается на 1-3% от исходной. При концентрации фермента 2-3% в тех же условиях активность его практически не изменяется. Другие концентрации спирта снижали активность к-амилазы в течение 72 ч инкубации не более чем на 1,5%.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования отечественных промышленных препаратов при совершенствовании технологии производства спирта. Осахаренное с использованием указанных препаратов сусло в объеме 900-930 см3 разделяли на твердую и жидкую фракции на центрифуге Л-301. Выход осветленного сусла с содержанием сухих веществ СВ 22-24% составил 58,0-58,5% от объема неосветленного осахаренного сусла. Выход дробины увеличился до 120-130% к массе введенного зернового сырья.
В целях нахождения оптимальных технологических параметров фракционирования дробину неоднократно промывали дистиллированной водой с температурой 80°С и центрифугировали. Характеристика промывных вод приведена в табл. 3.
Таблица 3
1.
Про- мывка I идро-модуль Сбраживаемые углеводы, г/100 см3 Содержание 2
плотность по сахаромеру, % раство- римые общие растворимого крахмала 3. г/100 см
1 1:(1-2) 8,0-9,5 6,0-8,2 6,1-8,4 0,05-0,19 4'
2 1:4 1,6-2,2 1,1-1,8 1,2-1,9 0;05-0,09 5-
3 1:3 0,5-1,0 0,4-0,5 0,4-0,5 6.
4 1:1 0,2-0,5 0,2 0,2 7. 8.
На основании полученных данных было решено 1-ю промывную воду добавлять в осветленное сусло, тем самым сокращая потери растворимого крахмала с утилизируемой дробиной и корректируя СВ
и сбраживаемые углеводы сусла. Гидромодуль 1-й промывной воды в зависимости от количества СВ начального сусла составляет 1:(1-2). После центрифугирования получаем 1-ю промывную воду с количеством СВ по сахаромеру 8-9,5% и содержанием растворимых сбраживаемых углеводов 6,0— 8,2 г/100 см . Выход дробины составил 91-95% к массе введенного зернового сырья. Влажность промытой дробины 75-79%.
После соединения 1-го осветленного сусла и 1-й промывной воды получили осветленное сусло с концентрацией СВ по сахаромеру 16-17% и содержанием сбраживаемых углеводов 12-14 г/100 см , которое далее ставили на брожение.
ВЫВОДЫ
1. Изучены промышленные препараты а-амилазы и глюкоамилазы и установлена возможность их применения для максимального осахаривания сусла в спиртовом производстве.
2. Показана целесообразность фракционирования осахаренного сусла с целью более полного использования крахмала, введенного с сырьем.
3. Предложен режим фракционирования сусла.
ЛИТЕРАТУРА
Технологический регламент для производства спирта из зерна (до брагоректификации) производительностью 6000 дал/сут. — М., 1993. — С. 29-30.
Рухлядева А.П., Полыгалина Г.В. Методы определения; активности гидролитических ферментов. — М.: Легкая и пищевая прбм-сть, 1981.
Книн Э. Амилазы, их свойства и производство. Химизм и технология крахмала. — М.: Пищепромиздат, 1956. — 338 с.
Микробные ферменты и биотехнология / Под ред. В.М. Фогарши. — М.: Агропромиздат, 1986. — С. 9-32.
Гугман Ф. Денатурация белков / Белки. Т. 2. / Под ред. Г. Нейрата и К. Бейли. ■— М., 1956.
Бекер М.Е. Введение в биотехнологию. — М.: Пищевая пром-ть, 1978.
Курс физической химии / И.Я. Герасимов, В.Н. Древинг, Е.М. Еременко и др. — М.: Химия, 1966.
Кретович В.Л., Яровенко В.Л. Ферментные препараты в пищевой промышленности. — М.: Пищевая пром-сть, 1975, — С. 445.,
Кафедра биотехнологии
Поступила 12.03.97
V..,,. ,.. 664.727.001.24
РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОЙ ДОЗЫ ПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ ПРИ КОНСЕРВАЦИИ ЗЕРНА РИСА
Ю.Ф. РОСЛЯКОВ, И.А. ПАЛАГИНА
Кубанский государственный технологический университет Астраханский государственный технический университет
Пропионовая кислота ПК — поверхностно-активное вещество ПАВ, так как в состав ее молекулы входит полярная группа (—СООН—) и неполярная, состоящая из углеводородного радикала (СН3—СН2—). За счет полярной группировки ПК может гидратироваться и проявлять гидрофильные свойства. Неполярная часть молекулы гидрофобна и имеет сродство к неполярным растворителям, т.е. липофильна. За счет дифильных свойств ПК способна ориентироваться на поверхности в зави-
симости от полярности последней. Как и любое поверхностно-активное вещество, ПК на поверхности адсорбируется. Количество адсорбированной кислоты Г можно подсчитать по уравнению Ленг-мюра [1] '■?
где Гж — предельная концентрация вещества, адсорбированного на 1 м2 поверхности, кмоль/м2;
Ь — константа, являющаяся мерой адсорбционной активности, характеризует сродство адсорбируемого вещества к поверхности адсорбента-с — концентрация раствора, кмоль/м .
П лага что пове зуль ми і нені ют (. груп родн пове Лені
МИН]
Зі мож: одну на 1
01
С
Л. Д
п<
го пс где
М.
ства актиі <1о/1 ние,
где
