Биотехнологические аспекты производства спирта из вторичного сырья пищевых производств Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.5:664.6/.7 DOI 10.24411/0235-2486-2020-10056

Биотехнологические аспекты производства спирта из вторичного сырья пищевых производств

Л.В. Римарева, д-р техн. наук, академик РАН; М.Б. Оверченко, канд. техн. наук; Н.И. Игнатова; Е.М. Серба*, д-р биолог. наук, чл.-корр. РАН; А.Ю. Кривова, д-р техн. наук, профессор ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания и биотехнологии, Москва

Дата поступления в редакцию 09.04.2020 * serbae@mail.ru

Дата принятия в печать 15.05.2020 © Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Серба Е.М., Кривова А.Ю, 2020

Реферат

Исследования, направленные на решение проблемы рационального использования вторичных ресурсов пищевой промышленности в качестве дешевого сырья для производства пищевой и кормовой продукции, весьма актуальны. В настоящей работе впервые показана возможность использования возвратного отхода хлебопекарного производства в виде сухого хлеба взамен пищевого зернового сырья при получении спирта. Работа проводилась во ВНИИ пищевой биотехнологии. Объектами исследования служили образцы сухого белого и черного хлеба: батон нарезной из пшеничной муки и хлеб «Дарницкий», в состав которого входила смесь пшеничной и ржаной муки. Установлено, что использование пшеничного белого хлеба, обработанного амилолитическими ферментами, не обеспечивало нормального процесса генерации дрожжей и спиртового брожения из-за несбалансированности углеводного и азотистого состава питательной среды (хлебного сусла), что привело к значительному снижению выхода спирта. Выявлено, что 11,0 мг% аминного азота, содержащегося в сусле из белого хлеба, недостаточно для нормальной жизнедеятельности спиртовых дрожжей. Показано, что добавление протеаз способствовало повышению степени гидролиза белковых веществ исходного сырья и увеличению содержания, ассимилируемого дрожжами аминного азота, концентрация которого в сусле из белого и черного хлеба возрастала в 3,1 и 1,5 раза соответственно. Сбраживание хлебного сусла, приготовленного с применением комплекса амилолитических и про-теолитических ферментов, приводило к более полной конверсии крахмала и увеличению концентрации спирта, особенно при использовании сусла из белого хлеба, при сбраживании которого количество дрожжевых клеток увеличилось в 4,9 раза, а концентрация этанола возросла практически в 2 раза.

Ключевые слова

вторичное сырье, сухой хлеб, спиртовые дрожжи, ферменты, протеаза, брожение, этанол Для цитирования

Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Серба Е.М., Кривова А.Ю. (2020) Биотехнологические аспекты производства спирта из вторичного сырья пищевых производств // Пищевая промышленность. 2020. № 5. С. 55-58.

Biotechnological aspects of the production of alcohol from secondary raw materials of food production

L.V. Rimareva, Doctor of Technical Sciences, Academician of RAS; M.B. Overchenko, Candidate of Technical Sciences; N.I. Ignatova; E.M. Serba*, Doctor of Biological Sciences, Corresponding Member of RAS; A.Yu. Krivova, Doctor of Technical Sciences, Professor Russian Scientific Research Institute of Food Biotechnology - Branch of Federal State Budget Institution of Science Federal Research Center of Food and Biotechnology

Received: April 9, 2020 * serbae@mail.ru

Accepted: May 15, 2020 © Rimareva L. V., Overchenko М.B., Ignatova N.I., Serba Е.M., Krivova A. Yu., 2020

Abstract

Studies aimed at solving the problem of rational use of secondary resources of the food industry as cheap raw materials for the production of food and feed products are relevant. In the present work, for the first time, the possibility of using the return waste of bakery production in the form of dry bread instead of edible grain raw materials in the production of alcohol is shown. The work was carried out at the Russian Research Institute of Food Biotechnology. The objects of the study were samples of dry white and black bread: a diced loaf of wheat flour and bread «Darnitsky», which included a mixture of wheat and rye flour. It was found that the use of wheat white bread treated with amylolytic enzymes did not ensure the normal process of yeast generation and alcohol fermentation due to the imbalance of the carbohydrate and nitrogen composition of the nutrient medium (bread wort), which led to a significant decrease in the yield of alcohol. It was revealed that 11.0 mg% of the amine nitrogen contained in white bread wort is not enough for the normal functioning of alcoholic yeast. It was shown that the addition of proteases contributed to an increase in the degree of hydrolysis of protein substances of the feedstock and an increase in the content assimilated by the yeast of amine nitrogen, the concentration of which in wort from white and black bread increased by 3.1 and 1.5 times, respectively. The results of the fermentation of bread wort prepared using a complex of amylolytic and proteolytic enzymes led to a more complete conversion of starch and an increase in the concentration of alcohol, especially when using white bread wort, during the fermentation of which the number of yeast cells increased by 4.9 times, and the ethanol concentration increased practically 2 times.

Key words

secondary raw materials, dry bread, spirit yeast, enzymes, protease, fermentation, ethanol For citation

Rimareva L.V., Overchenko М.B., Ignatova N.I., Serba B.M., Krivova A.Yu. (2020) Biotechnological aspects of the production of alcohol from secondary raw materials of food production // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No. 5. P. 55-58.

Введение. В настоящее время для экономики России представляется перспективным создание биотехнологических производств глубокой переработки зернового сырья и вторичных биоресурсов в конкурентоспособные целевые продукты [1-3]. Одним из крупномасштабных потребителей зерна (порядка 2 млн т в год) является спиртовое производство, особенность которого заключается в тесной зависимости от сырьевой базы и эффективности биотехнологических процессов переработки зернового сырья [4, 5].

Для повышения рентабельности спиртового производства необходима разработка инновационных ресурсосберегающих технологий, способствующих решению экологических проблем перерабатывающих отраслей и получению конкурентоспособной продукции с пониженной себестоимостью. При организации в России промышленного производства топливного биоэтанола на основе возобновляемого растительного сырья вопрос о рациональном использовании вторичных ресурсов (ВСР) и отходов перерабатывающих отраслей пищевой промышленности будет стоять еще более остро, что подтверждает актуальность исследований в данной области [3].

одним из резервов повышения эффективности спиртового производства является создание условий, обеспечивающих интенсификацию процесса синтеза этанола и снижение трат углеводов на образование побочных продуктов брожения путем использования питательных сред, сбалансированных по аминокислотному и углеводному составу [5-8]. Существует ряд способов, достигаемых технологическим путем, которые могут способствовать повышению рентабельности производства спирта и снижению себестоимости целевой продукции:

• частичная или полная замена зернового сырья хорошего качества на вторичное сырье пищевых производств;

• подбор ферментативных систем и условий подготовки сусла, обеспечивающих глубокий гидролиз полимеров сырья до веществ, ассимилируемых дрожжами;

• рациональный выбор расы дрожжей, обладающей способностью к направленному синтезу этанола и пониженному образованию побочных метаболитов;

• разработка условий, обеспечивающих интенсификацию технологического процесса и увеличение выхода спирта.

в рамках этой важной проблемы существует задача, обусловленная необходимостью переработки вторичного сырья хлебопекарной промышленности. Извест-

но, что при работе хлебозавода на полную мощность произведенная им продукция не полностью потребляется населением, остаются значительные количества нереализуемого хлеба, который в итоге черствеет, что приводит к вынужденному снижению производственных мощностей. Черствый хлеб становится возвратным отходом, при этом повторное использование его в хлебопекарном производстве приводит к снижению качества целевой продукции.

Цель работы состояла в исследовании возможности и условий сбраживания вторичного сырья хлебопекарного производства (черствого хлеба) в этанол.

Материалы и методы исследования.

Работа выполнялась на базе ВНИИПБТ -филиала ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии» в отделе биотехнологии ферментов, дрожжей, органических кислот и БАД.

Объектами исследования служили в качестве источника белого хлеба - сухой батон нарезной из пшеничной муки, в качестве источника черного хлеба - хлеб «Дарницкий», в состав которого входит смесь пшеничной и ржаной муки.

Для сбраживания использовали отдельно помол белого, помол черного сухого хлеба, а также смесь помолов белого и черного в соотношении 1:1. Замес сырья осуществляли при гидромодуле 1:4,0. Подготовку хлебного сусла проводили по механико-ферментативной схеме [9]. Для разжижения и осахаривания хлебного замеса использовали ферментные препараты - источники термостабильной а-амилазы в дозировке 0,5 ед. АС/г крахмала и глюкоамилазы в дозировке 9 ед. ГлС /г крахмала. Концентрация растворимых сухих веществ осахаренного сусла составляла 16 %. Для предотвращения возможного инфицирования в сбраживаемое сусло добавляли антисептик в количестве 0,0001%.

После осахаривания и охлаждения хлебное сусло засевали спиртовыми дрожжами Saccharomyces cerevisiae р. 985-Т.

Брожение проводили при 30 °С в течение 68 ч.

Технохимические показатели сусла и бражки (образование углекислоты, содержание дрожжевых клеток, редуцирующих (РВ) и общих углеводов (ОРВ), концентрацию спирта определяли по общепринятым методикам технохимического контроля спиртового производства [10], концентрацию аминного азота (NH2+) - методом йодометрического титрования [11].

статистическую обработку данных, полученных не менее чем в 3 повторностях, осуществляли с помощью программы Microsoft Excel с использованием коэффициента Стьюдента (доверительный интервал 0,95).

Результаты и их обсуждение. На первом этапе проведены сравнительные исследования процессов сбраживания хлебного сусла, приготовленного из белого и черного сухого хлеба, а также их смеси в соотношении 1:1. Для разжижения и декстринизации крахмала использовали термостабильную а-амилазу, на стадии осахаривания - глюкоамилазу. Готовое сусло засевали суспензией дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae р. 985-Т и сбраживали в течение 68 ч. результаты представлены в табл. 1.

Как следует из результатов эксперимента, использование в питательной среде одного пшеничного белого хлеба не обеспечивало протекания нормального процесса брожения, что привело к значительному снижению роста дрожжей и выхода спирта, концентрация которого в бражке составила 4,50%об. (табл. 1). При сбраживании сусла, приготовленного из черного хлеба или из смеси белого и черного, наблюдалось увеличение более чем в 4 раза концентрации дрожжевых клеток (на первые сутки) и в 1,7 раза - содержания спирта в бражке по сравнению с аналогичными показателями сброженного сусла из белого хлеба.

В результате сравнительных исследований исходного сырья установлено, что помимо крахмала в пшеничном и ржаном хлебе присутствовал белок в концентра-

Таблица 1

Результаты сбраживания сухого хлеба, обработанного комплексом амилолитических

ферментов

Дрожжи Характеристика брожения на 68 ч

Исходное сырье на 18 ч, млн/см3 СО2, г Кислотность, °Д РВ, % ОРВ, % Остаточный крахмал, % Спирт, % об.

Белый хлеб 20 6,9 0,33 7,20 7,40 0,18 4,50

Черный хлеб 87 11,7 0,45 0,61 0,89 0,25 7,66

Смесь 1:1 (белый и черный) 84 11,8 0,36 0,65 0,94 0,26 8,05

Влияние ферментов амилолитического (АС+ГлС) и протеолитического (ПС) действия на биохимические показатели сусла, приготовленного на основе белого и черного хлеба, а также их смеси (1:1): а) концентрация аминного азота, б) содержание редуцирующих углеводов

Таблица 2

Результаты сбраживания сухого хлеба, обработанного комплексом амилолитических

и протеолитических ферментов

Дрожжи Характеристика брожения

Исходное сырье на 18 ч, млн/мл СО2, г Кислотность, °Д РВ, % ОРВ, % Остаточный крахмал, % Спирт, % об.

Белый хлеб 98 12,9 0,35 0,34 0,72 0,41 8,67

Черный хлеб 92 12,3 0,42 0,50 0,68 0,23 8,15

Смесь 1:1 (белый и черный) 95 13,0 0,37 0,34 0,65 0,34 8,79

ции 6,5-7,5 %. Поэтому в дальнейших экспериментах наряду с амилолитиче-скими ферментами (АС+ГлС) применяли ферментный препарат - источник протеаз в дозировке 0,2 ед. ПС/г сырья для гидролиза белковых веществ.

Установлено, что в исходном сусле, приготовленном на основе белого хлеба, обработанного а-амилазой и глюко-амилазой, концентрация аминного азота была почти в 3 раза ниже, чем в сусле, полученном с использованием черного хлеба (рис. а). При этом содержание редуцирующих углеводов было практически на одном уровне во всех вариантах сусла.

По-видимому, выявленное количество аминного азота (11,0 мг%) недостаточно для жизнедеятельности спиртовых дрожжей (рисунок, табл. 1). Добавление протеаз способствовало повышению степени гидролиза белковых веществ исходного сырья и увеличению содержания ассимилируемого азота в питательной среде (табл. 2).

Результаты сбраживания хлебного сусла, приготовленного с использованием комплекса ферментов амилолитического и протеолитического действия, показали, что обогащение питательной среды легкоусвояемым аминным азотом способствовало активизации жизнедеятельности дрожжей и улучшению технохимических

показателей готовой бражки. Особенно действие протеаз сказалось на качестве сусла из белого хлеба, в результате сбраживания которого количество клеток увеличилось в 4,9 раза, а концентрация этанола возросла почти в 2 раза (табл. 1 и 2).

Заключение. По результатам проведенной работы можно сделать вывод о возможности использования в производстве этанола вторичного сырья пищевой промышленности в виде сухого хлеба. При этом установлено:

• использование одного пшеничного белого хлеба, обработанного амило-литическими ферментами, не обеспечивает нормального процесса генерации дрожжей и спиртового брожения из-за несбалансированности углеводного и азотистого состава питательной среды (хлебного сусла), что приводит к значительному снижению выхода спирта;

• сбраживание сусла, приготовленного на основе ржаного черного хлеба или в смеси с пшеничным, обработанного амилазами, позволяет получить бражку с удовлетворительными технологическими показателями;

• дополнительное введение в состав комплекса гидролаз ферментов протеолитического действия способствует повы-

шению степени гидролиза белковых веществ с образованием ассимилируемого дрожжами аминного азота, концентрация которого в сусле из белого и черного хлеба возрастает в 3,1 и 1,5 раза соответственно;

• применение комплекса амилолитических и протеолитических ферментов для приготовления хлебного сусла приводит к более полной конверсии крахмала дрожжами и увеличению концентрации спирта в бражке, особенно при использовании сусла из белого хлеба, при этом количество дрожжевых клеток увеличивалось в 4,9 раза, а концентрация этанола возрастала практически в 2 раза.

Исследования проведены за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кривченко, В.А. Спиртовое производство - технологическая основа комплексной переработки зерна с получением пищевых продуктов/ В.А. Кривченко [и др.] // Пищевая промышленность. - 2019. - № 4. -С. 53-54. DOI: 10.24411/0235-2486-201910027.

2. Серба, Е.М. Биотехнологические основы комплексной переработки зернового сырья и вторичных биоресурсов в этанол и белково-аминокислотные добавки/ Е. М Серба., В. А. Поляков: монография (ISBN 978-5-906592-49-1). - М: ВНИИПБТ, 2015. -133 с.

3. Степанов, В.И. Управляемая система непрерывной переработки растительного сырья

на основе термомеханических и биокаталитических процессов/В.И. Степанов [и др.] // Пищевая промышленность. - 2019. - № 4. -С. 101-102.

4. Серба, Е.М. Биотехнологические основы микробной конверсии концентрированного зернового сусла в этанол: монография/ Е.М. Серба., М.Б. Оверченко, Л.В. Римарева. -М.: «Библио-Глобус», 2017. - 120 с.

5. Абрамова, И. М. Исходные требования к качеству зернового сырья, обеспечивающие высокие показатели эффективности производства спирта: моногра-фия/И.М. Абрамова, Л.В. Римарева, М.В. Тур-шатов // М.: «Библио-Глобус», 2019. - 114 с. DOI 10.18334/978907063556

6. Тананайко, Т. М. Разработка интенсивной технологии биосинтеза этилового спир-та/Т.М. Тананайко, Л.Г. Сергеенко, А.А. Пушкарь // Пищевая промышленность: наука и технологии. - 2011. - № 3 (13). - С. 20-24.

7. Римарева, Л.В. Сбраживание концентрированного зернового сусла с использованием осмофильной расы спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1039/Л.В. Римарева [и др.] // Производство спирта и ликерово-дочных изделий. - 2011. - № 3. - С. 10-12.

8. Серба Е.М. Влияние ферментных препаратов на технологические показатели зернового сусла и качество спирта/Е.М. Серба [и др.] // Пиво и напитки. - 2018. - № 1. -С. 50-54. DOI: 10.24411/2072-9650-2018-0 0002. https: //doi.org/10.24411/2072-9650-2018-00002.

9. Туршатов, М.В. Современная технология производства спирта/М.В. Туршатов [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2011. - № 1. - С. 28-29.

10. Поляков, В. А. Инструкция по техно-химическому и микробиологическому контролю спиртового производства/В.А. Поляков [и др.] // М.: ДеЛи принт, 2007. - 480 с.

11. ОФС. 1.2.3.0022.15 Определение амин-ного азота методами формольного и йодоме-трического титрования.

REFERENCES

1. Krivchenko VA, Turshatov MV, Solov'yov AO, Abramova IM. Spirtovoe proizvodstvo -tekhnologicheskaya osnova kompleksnoy pererabotki zerna s polucheniyem pishchevykh produktov [Alcohol production - the technological basis of integrated processing of grain to produce food products]. Pischevaya Promyshlennost' [Food industry]. 2019. No. 4. P. 53-54 (In Russ.).

2. Serba EM, Polyakov VA. Biotekh-nologicheskie osnovy kompleksnoy pererabotki zernovogo syr'ya i vtorichnykh bioresursov v etanol i belkovo-aminokislotnye dobavki [Biotechnological foundations of the integrated processing of grain raw materials and secondary bioresources into ethanol and protein-amino acid additives]. Moscow: Russian Scientific Research Institute of Food Biotechnology, 2015. 133 p. (In Russ.)

3. Stepanov VI, Ivanov VV, Sharikov A Yu, Amelyakina MV, Polivanovskaya DV, Serba EM. Upravlyayemaya sistema nepreryvnoy pererabotki rastitel'nogo syr'ya na osnove termomekhanicheskikh i biokataliticheskikh protsessov [Controlled system for the continuous processing of plant materials based on thermomechanical and biocatalytic processes]. Pischevaya Promyshlennost' [Food industry]. 2019. No. 4. P. 101-102 (In Russ.).

4. Serba EM, Overchenko MB, Rimareva LV. Biotekhnologicheskiye osnovy mikrobnoy konversii kontsentrirovannogo zernovogo susla v etanol [Biotechnological fundamentals of the microbial conversion of concentrated grain wort to ethanol]. Moscow: Biblio-Globus, 2017. 120 p. (In Russ.)

5. Abramova IM, Rimareva LV, Turshatov MV. Iskhodnyye trebovaniy k kachestvu zernovogo syr'ya, obespechivayushchiye vysokiye pokazateli effektivnosti proizvodstva spirta. [Initial requirements for the quality of grain raw materials, providing high rates of alcohol production efficiency]. Moscow: Biblio-Globus, 2019. 114 p. (In Russ.)

6. Tananayko TM, Sergeenko LG, Pushkar AA. Razrabotka intensivnoy tekhnologii biosinteza etilovogo spirta [Development of an intensive technology for the biosynthesis of ethyl alcohol]. Pischevaya Promyshlennost': Nauka I Technologii [Food industry: Science and Technology]. 2011. No. 3 (13). P. 20-24 (In Russ.).

7. Rimareva LV, Overchenko MB, Serba EM, Ignatova NI. Sbrazhivaniye kontsentrirovannogo zernovogo susla s ispol'zovaniyem osmofil'noy rasy spirtovykh drozhzhey Saccharomyces cerevisiae 1039 [Fermentation of concentrated grain wort using the osmophilic race of alcohol yeast Saccharomyces cerevisiae 1039]. Proizvodstvo spirta i likyorovodochnikh izdeliy [Production of alcohol and alcoholic beverages]. 2011. No. 3. P. 10-12 (In Russ.).

8. Serba EM, Abramova IM, Rimareva LV, Overchenko MB, Ignatova NI, Grunin EA. Vliyaniye fermentnykh preparatov na tekhnologicheskiye pokazateli zernovogo susla i kachestvo spirta. [The effect of enzyme preparations on the technological parameters of grain wort and the quality of alcohol]. Pivo i napitki [Beer and drinks]. 2018. No. 1. P. 50-54 (In Russ.).

9. Turshatov MV, Ledenev VP, Kononenko VV, Moiseeva ND, Krivchenko VA, Korzhenko LG. Sovremennaya tekhnologiya proizvodstva spirta [Modern technology for the production of alcohol]. Proizvodstvo spirta i likyorovodochnikh izdeliy [Production of alcohol and alcoholic beverages]. 2011. No. 1. P. 28-29 (In Russ.).

10. Polyakov VA, Abramova IM, Polygalina GV, Rimareva LV, Korchagina GT, Piskareva EN. Instruktsiya po tekhnokhimicheskomu i mikrobiologicheskomu kontrolyu spirtovogo proizvodstva [Instruction for technochemical and microbiological control of alcohol production]. Moscow: DeLi print, 2007. 480 p. (In Russ.)

11. OFS. 1.2.3.0022.15 Determination of amine nitrogen by the methods of formol and iodometric titration. (In Russ.)

Авторы

Римарева Любовь Вячеславовна, д-р техн. наук, академик РАН, Оверченко Марина Борисовна, канд. техн. наук, Игнатова Надежда Иосифовна,

Серба Елена Михайловна, д-р биол. наук, чл.-корр. РАН; Кривова Анна Юрьевна, д-р техн. наук, профессор ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4Б, Lrimareva@maiL.ru, mb_over@mai1.ru, ignatova59@1ist.ru, serbae@mai1.ru, 3321225@mai1.ru

Authors

Lyubov' V. Rimareva, Doctor of Technical Sciences, Аcademician of RАS, Мarina B. Overchenko, Candidate of Technical Sciences, Nadezhda I. Ignatova,

Еlena M. Serba, Doctor of Biological Sciences, Corresponding Member of RАS,

Anna Yu. Krivova, Doctor of Technical Sciences, Professor Russian Scientific Research Institute of Food Biotechnology - Branch of Federal Research Center of Food and Biotechnology, 4B, Samokatnaya str., Moscow, 111033, lrimareva@mail.ru, mb_over@mail.ru, ignatova59@1ist.ru, serbae@mail.ru, 3321225@mai1.ru