Декстрановые, левановые и леваноподобные слизи в сахароварении Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

УДК 664.124

Декстрановые, левановые и леваноподобные слизи в сахароварении

В.А. СОТНИКОВ, д-р техн. наук, ген. директор (e-mail: swa862@mail.ru) Предприятие «ПромАсептика»

V. WILD, менеджер (e-mail: vwild@stern-wywiol-gruppe.de)

U. MOISCH, технологSternEnzym GmbH&Co.KG, Germany

Т.В. РУДИЧ, зам. директора департамента коммерции и логистики

ООО «НПП «Макромер» им. В.С. Лебедева» (e-mail: commers@macromer.ru)

Введение

Слизистое поражение на предприятиях сахарной отрасли — довольно частое явление, обусловленное жизнедеятельностью многочисленного класса слизе-образующих микроорганизмов. Среди многих исследователей и технологов бытует мнение, что основной и единственной слизистой субстанцией, которая создаёт технологические проблемы на предприятии, является декстран. Но это не так. Кроме декстрана в технологических потоках могут обнаруживаться такие слизистые полисахариды, как леван и лева-ноподобные слизи.

Декстран (рис. 1а) — продукт жизнедеятельности Leuconostok mesenteroides и Leuconostok dextranicum — является полисахаридом с сильно разветвлённой структурой и молекулярной

массой, превышающей 1 млн. Молекулы построены из остатков D-глюкозы с преобладанием а(1—6)- и а(1—3)-гликозидных связей.

Леван (рис. 1б) также является полисахаридом, но состоящий из D-фруктофуранозных остатков, соединённых ß(2—^6)- и а(2—6)-гликозидными связями. Его молекулярная масса приближается к молекулярной массе декстрана. Леван является продуктом жизнедеятельности спорообразующих аэробных микроорганизмов из рода Bacillus и Clostridium, которые в большом количестве обнаруживаются в плохо отмытой, подгнившей и подмороженной свёкле. Оптимальная температура их развития 35—40 °С, но они могут хорошо развиваться при 50—60 °С.

Леваноподобные слизи по химической структуре очень схожи с ле-

ваном, но в отличие от последнего полисахаридные цепочки связаны между собой фосфорными связями. Леваноподобные слизи представляют собой основу слизистых выделений свёклы, поражённой слизистым бактериозом — наиболее опасной и распространённой формой кагатной гнили, где мажорными микроорганизмами являются бактерии, относящиеся к кишечной группе (род ЕтоШа). Независимо о того, что все эти слизистые субстанции по химической структуре различны, вред, который они наносят технологическому процессу, является однотипным.

Декстраны, леваны и леванопо-добные слизи практически не удаляются в процессах дефекосатура-ции и поэтому они:

— снижают чистоту диффузионного и очищенных соков за счёт повышения в них количества белка и солей кальция;

— повышают цветность очищенных соков;

— повышают вязкость сахарных растворов, заклеивая поры фильтровальных тканей;

— затрудняют фильтрование за счёт снижения скорости образования зародышей карбоната кальция и формирования его мелкозернистого осадка;

— снижают скорость кристаллизации сахарозы при уваривании утфелей;

о-сн.

он

но

-о-гп.

он

он

а( ] —»6); а{ 1 —>3) -глшозидные связи а

— О-

C1I.OII

он

CII,он

{}(2—>6); а{2—»1) -гпикозидные связи б

Рис. 1. Химическое строение слизистых полисахаридов: а — декстран (полимер D-глюкопиранозы); б — леван (полимер D-фруктофуранозы)

а б

Рис. 2. Препараты: а — декстран; б — леван

— затрудняют фуговку;

— влияют на форму кристаллов сахара;

— снижают потребительские свойства сахара, обусловливая помутнение сахарных водно-спиртовых растворов в производстве ли-кёроводочной продукции;

— требуют повышенных трудозатрат на очистку технологического оборудования.

В последнее время с целью уничтожения этих слизей на предприятиях отрасли начали использовать ферментный препарат «Декстраназа» под различными торговыми марками («Defonase», «Декстраназа 2F» и т. п.). Однако долгосрочная практика применения этих декстраназ (с 2006 г. и по сей день) показала либо их низкую эффективность, либо полное отсутствие технико-экономического эффекта. На наш взгляд, причиной этих неудач является использование только единственно декстраназ, нацеленных исключительно на разрушение декстрана, пренебрегая фактом присутствия других слизистых субстанций, с которыми также следует бороться.

Ещё А.Р. Сапронов [2] обращал внимание технологов на возможное присутствие левана в саха-росодержащих потоках. Другие авторы [1] подметили, что в подмороженной, а затем оттаявшей свёкле резко увеличивается кон-

центрация полисахаридов бактериального происхождения. При этом концентрация левана значительно превышает концентрацию декстрана. В соке из здоровой свёклы длительного хранения содержание полисахаридов не увеличивается.

Биохимический и микробиологический мониторинг сахарных заводов Российской Федерации

В целях выяснения качественного и количественного состава слизистых субстанций нами в период сезонов 2016—2018 гг. проводился биохимический и микробиологический мониторинг сахарных заводов Российской Федерации.

Слизистые включения в сахарных потоках оценивались методом прямого микроскопирования [3]. По этому методу декстран в присутствии красителя «Блек 0» визуализируется в виде плотных интенсивно белых включений, напоминающих «кучевые облачка» (рис. 2а). Леван также ассоциируются с «облачками», но оптическая плотность этих «облачков» менее интенсивная и их структура больше напоминает «перистые облачка» (рис. 2б).

Так как визуализация «кучевых и перистых облачков» может вызвать у технолога затруднения в интерпретации характера слизи, мы применили иной, менее

Рис. 3. Реакция агглютинации маннаноглюканового комплекса

субъективный метод анализа. Этот метод дифференциальной диагностики основан на способности декстрана, в отличие от левана и леваноподобных слизей, давать положительную реакцию агглютинации (осаждения) суспензии фракции маннанаглюка-нового комплекса (МГК) (рис. 3). На фрагменте 3а представлена стабильная водная взвесь исходной (контрольной) суспензия МГК. При добавлении в эту суспензию дифсока, поражённого декстрановой слизью, наблюдается видимое осаждение суспензии МГК (фрагмент 3б). При добавлении в МГК левана реакции осаждения не наблюдалась (фрагмент 3в).

Результаты мониторинга (рис. 4) выявили взаимосвязь между географическим расположением сахарных предприятий и составом слизистых субстанций, обнаруженных в технологических потоках на этих предприятиях.

Так, химический состав слизистых субстанций на заводах, зонально расположенных в южных и юго-западных регионах России, представлен на 71 % декстраном и на 25 % леваноподобными сли-зями. При этом истинный леван на этих заводах практически не

Рис. 4. Взаимосвязь между географическим расположением сахарных предприятий и составом слизистых субстанций: а — южные и юго-западные регионы; б — западные регионы; в — северо-западные и восточные регионы (■ — декстран; ■ — леван; ■ — леваноподобные слизи)

встречался. По мере передвижения в западном направлении доля декстрана в слизях снижается до 20 % с возрастанием доли левана и леваноподобных субстанций. На заводах, расположенных на северо-западных и восточных направлениях, случаи декстраново-го поражения редки (менее 5 %), а в состав слизей входит преимущественно леван. Причём было замечено, что леваноподобные субстанции встречаются на предприятиях, перерабатывающих свёклу, поражённую слизистым бактериозом, а левановая инфекция заводится чаще там, где свёкла прошла многократные эпизоды замораживания-оттаивания, или в случае, если была сильно загрязнена и плохо отмыта.

Выявленная картина биохимического разнообразия слизистых субстанций побудила нас разработать технологические вспомогательные средства универсального действия, которые могли бы одинаково успешно гидроли-зовать (разрушать) как декстран, так и леван с леваноподобными слизями.

На основании проведённых научно-исследовательских работ предприятием «ПромАсептика» были созданы мультиэнзимные фермен-то-антисептирующие препараты и налажено их производство.

Приведём краткую характеристику компонентов, входящих в состав этих препаратов (табл. 1).

«Декстраназа» (производство SternEnzym, Germany) — ферментный препарат, катализирующий процесс гидролиза декстрана путём разрыва а(1-6)- и а(1-3)-гликозидных связей. Отличительной особенностью декстраназы является её высокая активность и способность функционировать в широком диапазоне рН со смещением в щелочную зону (5,7— 8,8 ед. рН), что выгодно отличает её от аналогов других производителей.

«Леваназа» — новейший ферментный препарат, не имеющий аналогов в мире, является продуктом совместного производства SternEnzym и российского предприятия «ПромАсептика». Леваназа катализирует процессы гидролиза по р(2-6)- и а(2-1)-гликозидным связям левана и ле-

Таблица 1. Состав ферменто-антисептирующих препаратов «Дефеказа» и «Фильтраза»

Наименование препарата Наименование компонентов и их содержание, %

«Декстраназа» «Леваназа» «Фитаза»

«Дефеказа» 20 60 10

«Фильтраза» 15 45 40

ваноподобных полисахаридов, что в конечном счёте приводит к их разрушению.

«Фитаза» (производство SternEnzym, Germany) — термоустойчивый (выдерживает даже кипячение) ферментный препарат, гидролизирующий кальциевые комплексы фитиновой кислоты, или фитаты. Фитаты — это природные соединения фосфора, входящие в состав леваноподоб-ных полисахаридов, что делает их устойчивыми к воздействию леваназ. «Фитаза», разрушая фитаты, делает более доступной по-лисахаридные цепочки левана к атакующему действию леваназы, что в четыре раза повышает эффект разрушения леваноподобных слизей.

С целью демонстрации эффекта разрушения слизей препаратом «Дефеказа» нами была проведена серия экспериментов, где моделировались процессы дефекосатура-ции диффузионного сока, поражённого теми или иными слизистыми полисахаридами.

Диффузионный сок получали из здоровой свёклы и инфицировали его соответствующими чистыми или накопительными культурами Leuconostoc, Bacillus и Erwinia с целью принудительного накопления в соке декстрана, левана и леваноподобных слизей. В ослиз-ленный диффузионный сок вносили препарат «Дефеказа» и выдерживали при температуре 45 оС в течение 10 минут. Контролем служил диффузионный сок здоровой свёклы. Далее проводили процесс основной дефекации (без преддефека-ции и внесения суспензии I сатурации) с последующим процессом сатурации. Дефе-косатурирован-ный сок фильтровали на бу-

Рис. 5. Скорость фильтрования суспензии в зависимости от её объёма:

--контроль;--леван;--дефеказа;--леваноподобные

слизи;--декстран;--суспензия нативная;

-----фильтраза

мажном фильтре с определением скорости его фильтрования. Как показали эксперименты (рис. 5), все слизистые субстанции ухудшали скорость фильтрации сока в среднем в три раза. Внесение в диффузионный сок препарата «Дефеказа» практически нивелировало это отрицательное явление, и скорость фильтрования была практически соизмерима со скоростью фильтрации сока здоровой свёклы.

В экспериментах с препаратом «Фильтраза» мы также оценивали скорость фильтрования суспензии, но в модельных экспериментах использовали нативную суспензию I сатурации, отобранную с предприятия, перерабатывающего к концу сезона дефектную свёклу, сильно поражённую леваном и леваноподобными слизями.

Препарат «Фильтраза» вносили в горячую (85 оС) нативную суспензию с рН 11,4—11,6. Контролем служила та же нативная суспензия, но без добавления «Фильтразы». Скорость фильтрования нативной суспензии была критически низкой, и при отъёме 20 % отфильтрованного сока процесс фильтрования практически остановился (см. рис. 5). Внесение препарата «Фильтраза» в нативную суспензию мгновенно её разжижило, и скорость фильтрования увеличилась в семь раз.

Технология совместного применения ферменто-антисептирующих препаратов «Декстрасепт 1» и «Дефеказа»

Универсальные препараты «Декстрасепт 1» и «Дефеказа» рекомендованы к применению в случаях инфицирования предприятия бактериями, образующими все виды слизи (декстран, леван и левано-подобные слизи).

Целесообразность совместного применения антисептирующего препарата «Декстрасепт 1» и фер-

менто-антисептирующего препарата «Дефеказа» продиктовано необходимостью одновременного уничтожения слизеобразующей микрофлоры и растворения сли-зей, которые продуцируются этой микрофлорой. Ранее нами был доказан синергический эффект от совместного воздействия этих двух препаратов, когда препарат «Дефеказа», растворяя слизи, усиливает антисептирующие свойства препарата «Декстрасепт 1», а он, в свою очередь, уничтожая бактерии, надёжно предотвращает образование слизи [4].

В табл. 2 указаны нормы расхода препаратов в зависимости от степени инфицированности слизистыми бактериями.

Оценить эти степени инфициро-ванности технолог может по трём критериям:

— на сколько снижается величина рН в диффузионном соке по срав-

нению с величиной рН в нормальном соке свёклы. Однако следует помнить, что снижение рН наблюдается только в случаях инфицирования предприятия молочнокислыми микроорганизмами, слизистым бактериозом и левано-вой инфекцией. Если предприятие инфицировано лейконостоковой инфекцией, то рН, как правило, резко не снижается;

— в каком количестве обнаруживаются «облачка» слизи в осадке, взятом из преддефекатора. На рис. 6 (а—д) представлены типичные картины микроскопирования осадков, поражённых слизями в различных степенях инфицирования;

— наблюдаются ли нарушения в процессах сокоочистки. По мере нарастания степени инфициро-ванности слизями скорость фильтрования сока I сатурации снижается. Начиная со II степени может

снижаться скорость фильтрования осадка II сатурации. Сок в пред-дефекаторе может приобретать оранжевый цвет, доброкачественность очищенного сока снижается, возрастает цветность сока.

Технологические точки внесения

ферменто-антисептирующих

препаратов

Препарат «Декстрасепт 1» Основное место внесения препарата — диффузионные аппараты. Препарат «Декстрасепт 1» вносят в растворённом состоянии непрерывно.

Для наклонного дифаппарата: в III зону.

Для колонного дифаппарата оптимальным местом внесения является серединная часть колонны. В отсутствие этой точки ввода препарат вносят либо в линию подачи сокостружечной смеси из ошпари-вателя в колонну, либо в верхнюю часть колонны с потоком жомо-прессовой воды.

Для роторных дифаппаратов: раствор препарата вносят в линию

Таблица 2. Нормы расхода ферменто-антисептирующих препаратов «Декстрасепт 1» и «Дефеказа» в зависимости от степени

инфицированности слизями

Степень инфицированности слизями А рН диффузионно-го сока Микроскопия осадка из преддефе-катора Нарушения в технологии очистки сока Нормы внесения препарата, кг/1000 т свёклы в сутки

«Декстрасепт 1» «Дефеказа»

0 0,2 Рис. 6а Нарушений нет 0,25-0,35* -

I 0,6 Рис. 6б Эпизодическое и незначительное снижение скорости фильтрования 0,5-0,6 0,1-0,25

II 0,8 Рис. 6в Постоянное снижение производительности фильтров на 20—30 % 0,7-0,8 0,4-0,6

III 1,0 Рис. 6г Снижение производительности фильтров на 50 % и ниже 0,9-1,2 0,8-1,0

IV Свыше 1,0 Рис. 6д Резкое снижение скорости фильтрования вплоть до полной остановки фильтров 1,3-1,5 1,2-2,0

П р и м е ч а н и е: * — профилактическая доза, рекомендуемая в случаях, если лейконостоком и слизистым бактериозом заражена свёкла, но не затронут завод.

подачи питательной или жомо-прессовой воды либо в ошпарива-тель.

В случаях сильного инфицирования (III и IV степени) препарат «Декстрасепт 1» вносят в технологические потоки дробно, т. е. методом «шокового» антисептирова-ния, при закисании:

— дифсока в аппарате: в III зону дифаппарата;

— дифсока в сборнике: в пульпо-ловушку сборника дифсока;

— жомопрессовой воды: в пуль-половушку ЖПВ.

Препарат «Дефеказа»

Выбор точки ввода раствора препарата «Дефеказа» зависит от

в г д

Рис. 6. Степени инфицирования корнеплодов: а — нулевая; б — первая (I); в — вторая (II); г — третья (III); д — четвёртая (IV)

Таблица 3. Технико-

степени инфицированности сли-зями:

— при I и II степени инфицированности слизями следует вносить либо на стружку, либо непосредственно на свеклорезку, либо в I зону дифаппарата;

— при III и IV степени препарат дополнительно вносится в пуль-половушку дифсока.

Рекомендуется готовить раствор препарата «Дефеказа» из расчёта 1 кг препарата на 10 л (не менее) воды.

Технология применения

препарата «Фильтраза»

Препарат «Фильтраза» используется в случаях сильного инфицирования слизями (III и IV степени), когда процесс фильтрования сильно замедлился или полностью прекратился.

С целью восстановления функционирования фильтрационных установок препарат без предварительного растворения в воде вносят непосредственно в сборник нефильтрованного сока I или II сатурации. Разовая норма расхода препарата — 0,4—0,5 л на сборник нефильтрованного сока. Препарат «Фильтраза» подают каждые

показатели промышленных

20—30 минут в ёмкость нефильтрованного сока до тех пор, пока не восстановится нормальный режим работы фильтра. Как правило, бывает достаточно одно-, двух- или трёхкратного введения препарата.

Препарат «Фильтраза» может быть использован для интенсификации процесса фильтрования сиропов с повышенной вязкостью.

В табл. 3 представлены усреднённые технико-экономические показатели промышленных испытаний (сезон 2016—2018 г.) препаратов «Декстрасепт 1», «Дефеказа» и «Фильтраза».

Выводы

Многообразие слизеобразующей микрофлоры в процессах сахароварения предопределило необходимость создания мультиэнзим-ных и антисептирующих композиций и обусловило их совместную синергическую эффективность в устранении не только бактериального начала, но и выделяемых ими слизей. Применение технологических средств «Декстрасепт 1», «Дефеказа» и «Фильтраза» позволило улучшить технологическое качество сахаросодержащих потоков и стабилизировать работу экстракционного и очистительного отделений сахарных заводов.

Список литературы

1. Захаров, К.П. О полисахаридах диффузионного сока / К.П. Захаров [и др.] // Сахарная промышленность. — 1980. — № 11.— С. 27-29.

2. Сапронов, А.Р. Технология сахарного производства / А.Р. Сапронов. — М. : Колос, 1999. — 494 с.

3. Сотников, В.А. Сезон 2016 года: слизистый бактериоз / В.А. Сотников, А.В. Сотников, V. Wild, U. Moisch // Сахар. — 2017. — № 3. — С. 2—7.

4. Сотников, В.А. Особенности переработки сахарной свёклы / В.А. Сотников, Т.Р. Мустафин // Сахар. — 2017. — № 12. — С. 26—29.

Аннотация. В статье представлены данные о многообразии слизистых субстанций, которые обнаруживаются на сахарных предприятиях вследствие их бактериологического поражения. С целью борьбы со слизеобразованием предлагаются комплексные ферменто-антисептирующие вспомогательные препараты «Декстрасепт 1», «Дефеказа» и «Фильтраза», которые позволяют улучшить технологическое качество сахаросодержащих потоков и стабилизировать работу экстракционного и очистительного отделений сахарных заводов. Ключевые слова: слизистые полисахариды, декстран, леван, леваноподобные слизи, скорость фильтрования, ферменты, антисептирующие препараты. Summary. The article presents data on the diversity of mucous substances that are found in sugar factories as a result of their bacteriological damage. In order to combat mucus formation, complex enzyme-antiseptic technological auxiliary products «Dextrasept 1», «Defekaza» and «Filtraza» are offered, which allow improving the technological quality of sugar-containing streams and stabilizing the work of the extraction and refining departments of sugar factories.

Keywords: mucous polysaccharides, dextran, levan, levan-like mucus, filtration rate, enzymes, antiseptic drugs.

испытаний препаратов «Декстрасепт 1», «Дефеказа» и «Фильтраза».

Показатели До применения препаратов После применения препаратов

Степень инфицированности слизями II—III 0

Суммарное содержание слизей в диффузионном соке, мг/кг сока 400—7000 20—95

рН диффузионного сока, ед. 4,9—5,5 5,6—6,1

Содержание СВ в жоме, % 23,0 — 23,4 24,0—24,5

Скорость седиментации осадка суспензии, S5 см/5 минут 18 10

Вовлечённость парка фильтрационных установок в работу, % 100 70—90

Внеплановая очистка фильтров Проводилась Не проводилась

Выход сахара, % от массы свёклы (III степень инфицирования) 9,5 12,5