CC BY
130
УДК 664.292:547.458.88
В. А. Сотников, В. С. Гамаюрова, В. В. Марченко ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА НЕКРАХМАЛИСТЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ
В работе представлены данные по хемоферментативной деструкции некрахмалистых полисахаридов с целью снижения вязкости вводно-ржаных суспензий и вовлечение слизевых веществ и клетчатки зерна в процесс спиртового брожения. Показано, что обработка замесов хелатирующими агентами в «мягком» режиме разваривания способствует ферментолизу пентозанов, а распад клетчатки возможен только после ее предварительной высокотемпературной гидротермической обработки.
Некрахмалистые полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза, пентозаны, гумми- и слизевые вещества), входящие в состав зернового сырья, оказывают существенное влияние на технологичность процессов ферментативной подготовки крахмалистого сырья к сбраживанию при производстве спирта.
Слизеобразующие вещества очень гидрофильны: при комнатной температуре легко набухают и растворяются, образуя вязкие гелеобразные растворы. Наличие в этих веществах разветвленной арабиноксилановой фракции способствует образованию их стойких комплексов с белковыми веществами, что повышает вязкость вводно-мучных суспензий и тем самым препятствует процессам гидратации крахмала и его ферментативного гидролиза. Особенно много слизеобразующих веществ содержится в зерне ржи - основной культуре, которая традиционно перерабатывается на спиртопредприятиях России. По вязкости ржаные полупродукты (замес, затор, сусло) значительно превосходят кукурузные и пшеничные [1]. Основную часть слизей ржи составляют пентозаны (75-94%), сахароза, фруктоза, глюкоза, арабиноза, мальтоза, рафиноза и галактоза. Пентозаны и клетчатка в основном содержится в плодовой оболочке 51,4% и в меньшем количестве в алейроновом слое -15,4%.
В настоящее время с целью снижения вязкости водно-ржаных замесов, например, в технологии крахмалопродуктов [2], предложено использовать ферментный препарат Цел-ловиридин Г20х, который в 1,5 раза снизил динамическую вязкость ржаной кашки. Этими же авторами предложена обработка вводно-ржаных масс комбинированным реагентом (0,4%-ный раствор пиросульфита натрия, что соответствует 0,25%-ной концентрации Э02, с добавлением концентрированной Н2Э04) при температуре 45оС и показана малоэффек-тивность этого метода по сравнению с методом ферментативного гидролиза пентозанов.
Этот методом ферментативной деструкции слизевых веществ также широко используется в технологии производства спирта, где в ржаной замес или в затор вводят ферментные препараты с ксиланазной, целлюлазной и глюканазной активностями. Их использование позволяет значительно снизить вязкость полупродуктов производства, ускорить процессы ферментативного ожижения и осахаривания сусла, интенсифицировать процесс брожения и, тем самым, повысить выход спирта [3].
Ранее нами было показано [4], что исследуемые комплексоны способствуют процессам ферментолиза крахмала. Интенсифицирующее действие комплексонов мы связы-
вали с их негидролитической аморфизацией крахмалистых и белок-крахмалистых структур, и была продемонстрирована их неспецифичность по отношению к этим субстратам.
Мы предположили, что исследуемые комплексоны, обладая гидратирующими и декальцифицирующими свойствами, будут способствовать процессам гидротеплового набухания слизевых веществ и ускорению их последующего ферментативного гидролиза соответствующими ферментами. Это предположение нам кажется обоснованным с той точки зрения, что деминерализация комплексонами гумми-веществ, слизей и гемицеллюлозы, имеющих повышенное, по сравнению с молекулами крахмала, сродство к зольным веществам (так как более богаты фосфорными и карбоксильными группами), должна приводить к усилению процессов их гидротепловой аморфизации.
Цель работы - подбор способа комплексной химико-ферментативной обработки водно-ржаной суспензии для снижения ее вязкости и интенсификации процесса ферментативного ожижения затора.
В экспериментах водно-ржаную суспензию (гидромодуль-1:3,0) готовили из ржаной обдирке на дист.воде при температуре 45+2оС при постоянном перемешивании (300 об/мин) в течение 30 мин в присутствии избыточного количества нетермостабильной а-амилазы (Амилосубтилин Г3х) из расчета 4,0 ед.АС/г у.к. В зависимости от условий опыта в замес вносили ферментный препарат Шеарзим с ксиланазной активностью из расчета 0,22 ед.КС/г крахмала и комплексоны : натриевая соль оксиэтилидендифосфоновой кислоты (0ЭДФн)-0,5 г/л или смесь из одно-дву- и трехзамещенный пирофосфатов № (ПирН)-0,6 г/л. Далее, во всех вариантах эксперимента, в замес вводили термостабильную а-амилазу (Термамил) из расчета 0,15 ед.АС/г у.к. и подвергали его механико-ферментативной обработке при 85-95оС в течение 8 часов.
Вязкость замеса и затора определяли методом истечения 300 мл исследуемых масс через фиксированное отверстие (диаметр - 4 мм) истечения.
Как показали эксперименты (рис.1), в контрольном варианте 1 водно-ржаной замес и затор приготовленные в присутствии избыточного количества а-амилазы имеют высокие значения вязкости, которые обусловлены слизевыми веществами ржи. Введение в суспензию комплексонов повышало значение вязкости ржаного замеса и затора, и это повышение (на 28% и 10% соответственно) было наиболее выражено в случае использования ОЭДФн.
Вероятно, комплексоны способствуют процессам гидротеплового набухания и ге-леобразования слизевых веществ ржи. Причем этому процессу, в большей степени, способствует ОЭДФн у которого ярко выражены металлосвязывающие свойства. Это обстоятельство указывает на существенную роль ионов металлов в структурировании слизевых веществ и, следовательно, методы, нарушающие эти ионные взаимодействия, будут способствовать процессам их набухания, растворения и ферментативного гидролиза. Как и ожидалось введение в ржаную суспензию фермента с выраженной ксиланазной активностью (Шеарзим) существенным образом (в 2 раза) снизило вязкость, как замеса, так и затора (вариант 4). Еще большее снижение вязкости мы наблюдали в варианте 5, когда гидролиз некрахмалистых полисахаридов проводили в присутствии ПирН. Вязкость замеса и затора в этом варианте опыта по сравнению с вариантом 4, где использовался только Ше-арзим, была снижена в 1,5 - 2 раза.
Полученные результаты подтверждают правильность выбранного направления исследований - применение комплексной химико-ферментативной обработки ржаного крахмалистого сырья с целью снижения вязкости промежуточных продуктов производства спирта и с целью интенсификации ферментативного ожижения ржаных заторов.
Рис. 1 - Подбор способов обработки водно-ржаного замеса. Варианты приготовления водно-ржанового замеса: 1 - с а-амилазой; 2 - с а-амилазой + ПирН; 3 - с а-амилазой + ОЭДФн; 4 - с а-амилазой + ксиланазой; 5 - с а-амилазой + ксиланазой + ПирН
Как известно, в состав зерна входит клетчатка (от 2,5% до 4,7% на сухое вещество) и она сосредоточена в ее плодовой и семенной оболочке. Целлюлоза и гемицеллюлоза после соответствующей тепловой и/или химической и/или ферментативной обработки могут быть переведены в сбраживаемые вещества и, следовательно, является потенциальными сырьевыми источниками при производстве спирта. В настоящее время предложен ряд технологических методов, основанных на механо-химической, высокотемпературной и ферментативной биоконверсии зерновой клетчатки.
Наибольший интерес представляют методы ферментативного расщепления клетчатки, так как реализация этого метода не требует коренной перестройки существующих технологических линий производства спирта. Однако основным недостатком этого метода является низкий удельный выход моносахаров (не более 4% от субстрата) и обусловлен низкой доступностью субстрата к ферментативной атаке. Ранее нами было показано [5], что обработка целлюлозы и отрубей исследуемыми комплексонами способствовало повышению выхода экстрактивных веществ без заметного гидролиза полисахаридов. Это обстоятельство навело нас на мысль о возможности интенсификации процесса ферментативного гидролиза зерновой клетчатки, если ее подвергнуть предварительной обработкой исследуемыми комплексонами. Структурная прочность и, следовательно, степень кристалличность клетчатки, намного выше, чем для крахмальных систем зерна и поэтому предварительную обработку зерновой шелухи комплексонами мы проводили при разных тепловых нагрузках.
В эксперименте, в качестве объектов исследования, мы использовали без белковые и без крахмалистые сухие изоляты зерновой оболочки (ЗО). ЗО получали методом многократного отмывания нерастворимой части сваренного при температуре 140-150оС и осаха-ренного зернового (пшеничного) затора. В зависимости от условий эксперимента в водную
взвесь ЗО (гидромодуль 1:20) вводили комплексоны в концентрации 0,25 г/л с последующей ее гидротепловой обработкой при 68-72оС в течение 10 часов или при 140-150оС в течение 40 минут. Далее взвесь охлаждали и осуществляли ее ферментативный гидролиз. Контролем служил процесс гидротепловой обработки взвеси ЗО, приготовленной на основе изотонического раствора. Процесс ферментативного гидролиза, обработанной ЗО, осуществляли Целловиридином Г2х из расчета 7 мг препарата на 1 г ЗО в течение 6 часов при рН 5,8 -6,2 и при 45оС. Критерием оценки эффективности процесса гидролиза служило количество редуцирующих веществ в ферментолизате, определяемых методом Бертрана.
Как видно из данных рисунка 2 эффективность конверсии клетчатки зерновой оболочки в редуцирующие вещества сильно зависит от температуры предварительной гидротепловой обработки субстрата. В жестком режиме разваривания (140-150оС) эффективность
Рис. 2 - Эффективность процесса ферментативного гидролиза зерновой оболочки, в зависимости от условий хемогидротепловой обработки субстрата. Хемогидро-тепловая обработка ЗО при температуре: А - 68-72°С; Б - 140-150°С, в присутствии комплексонов: 1 - физ. раствора; 2 - ЭДТАн; 3 - ОЭДФн; 4 - ПирН; 5 - ПФН
ферментолиза ЗО составила 7,6%, что 28% больше, чем в случае использования мягких режимов разваривания (68-72оС) даже при 10-ти часовой длительности ведения этого процесса. Исследуемые комплексоны практически не повлияли на повышение эффективности процессов ферментолиза ЗО, и содержание моносахаров в этих вариантах эксперимента (2-5) были сравнимы с контрольным (вариант 1). Следовательно, комплексоны при температуре до 72оС не способствуют разрушению клетчатки зерна и, следовательно, не увеличивают ата-куемость этого субстрата целлюлазами. Кроме того, на основании полученных в этих экспериментах данных о сравнительно низких абсолютных значениях удельного выхода РВ, можно сделать еще один вывод практического плана, а именно, использование целлюло-литических ферментных препаратов и хелатирующих агентов в технологии «мягкого» разваривания сырья является, вероятно, экономически не целесообразным.
Несколько заметный, но также не значительный прирост РВ в ферментолизате мы обнаружили в том случае, когда ЗО предварительно разваривали при 140-150оС. В данном случае, эффективность процесса ферментолиза удалось повысить на 4-5% (при использовании этилендиаминтетраацетата Ыа (ЭДТАн) или ОЭДФн) и на 9-10% (при использовании полифосфата Ыа (ПФН) или ПирН). Следовательно, усиление деструктурирующего действия хелатирующих агентов на клетчатку ЗО можно добиться только при повышенных температурах хемогидротепловой обработки. Поэтому исследуемые комплексоны могут быть рекомендованы для интенсификации процессов ферментолиза зерновой шелухи только в тех случаях, когда подготовка крахмалистого сырья проводится по традиционной высокотемпературной схеме разваривания или тогда, когда в технологии «мягкого» разваривания предусмотрено осветление сусла с последующим высокотемпературным доразва-риванием зерновой мезги.
Литература
1. Дегтяренко Г.Н., КушнерукЛ.А. // Хранение и переработка сельхозсырья. 1999.-№5. С.18-23;
2. Авдеев А.Н., Носовская Л.П., Лаптева Н.К. //Хранение и переработка сельхозсырья. №3. 2003. С.66-67.
3. Востриков С.В., Губрий Г.Г., Боднарь М.В., Горшков Е.А., Тенькова Н.А. // Хранение и переработка сельхозсырья. 2000. №3. С.13-15.
4. Сотников В.А., Марченко В.В. Гамаюрова В.С. // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2005. №1. С. 12-16.
5. Сотников В.А., Гамаюрова В.С., Канарский А.В., Марченко В.В., Мякишев О.Н. //Вестник Казанского технол. ун-та. 2004. №1-2. С. 131-137.
© В. А. Сотников - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной биотехнологии КГТУ; В. С. Гамаюрова - д-р хим. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КГТУ; В. В. Марченко - соискатель той же кафедры.
