CC BY
24
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 664.162.79+664.162.03 7+ 664.162.038
М. К. Курбонова, М. Л. Пономарева, С. Н. Пономарев,
Т. А. Ямашев, О. А. Решетник
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ГИДРОЛИЗАТОВ ИЗ ЗЕРНА ТРИТИКАЛЕ МЕТОДОМ МЕМБРАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
Ключевые слова: зерно, тритикале, ферментативный гидролиз, мембранная фильтрация.
Исследованы процессы ферментативного гидролиза тритикале сортов Корнет и Немчиновский 56 и фильтрации жидкой фракции гидролизата через мембранные фильтры из нержавеющей стали 304L с диаметром пор 70,0 мкм, из полипропилена с диаметром пор 20,0 мкм и полиамида Nylon6+66 с диаметром пор 0,80 мкм и 0,65 мкм. Установлено, что основное количество глюкозы образуется в первые 6 ч гидролиза. Показано, что в процессе последовательной фильтрации жидкой фракции гидролизата тритикале его цветность снижается с 11458 до 856 единиц ICUMSA, содержание глюкозы повышается с 87,14 до 96,00 % на сухое вещество, а вязкость понижается 8,40 до 5,46 сП.
Keywords: grain, triticale, enzymatic hydrolysis, membrane filtration.
We studied the processes of enzymatic hydrolysis of triticale varieties Cornet and Nemchinovsky 56 and filtrations of liquid fraction of a hydrolyzate through membrane filters made of stainless steel 304L with a pore diameter of 70,0 ¡m, membrane filter made of polypropylene with a pore diameter of 20 ¡m and membrane filter made of polyamide Ny-lon6+66 with a pore diameter of 0,80 ¡m and 0,65 ¡m.It is established that the major amount of glucose formed in the first 6 hours of hydrolysis.It is shown that sequential filtration process in liquid hydrolyzate fraction triticale its chromaticity reduced from 11458 to 856 ICUMSA units, glucose increases from 87,14 to 96,00 % of dry matter and a viscosity of lowered from 8.40 to 5.46 cP.
Введение
Зерно является одним из наиболее важных продуктов сельского хозяйства. Из него вырабатывают муку, крупы, крахмал, патоку, этиловый спирт и многое другое. Однако существующие на данный момент технологиипереработки зерна не позволяют в полной мере раскрыть его пищевой потенциал. Особенно это касается партий зерна с пониженными хлебопекарными достоинствами, а также культур, применение которых в хлебопечении недостаточно развито. Такое зерно часто используется для кормления крупного рогатого скота, что вряд ли можно считать приемлемым, так как пищеварительная система таких животных предполагает в большей степени переваривание целлюлозосодержащих кормов. Неправильно составленные рационы питания с высокой долей зерноконцентратов способствуют развитию воспалительных заболеваний копытец - ламиниту [1, 2].
При скармливании крупному рогатому скоту больших количеств зернового сырья крахмал достаточно быстро метаболизируется микроорганизмами рубца до молочной [3], пропионовой и масляной кислот, что приводит к снижению рН содержимого желудка до значений 5,0-5,5 и развитию ацидоза, который при систематических нарушениях режимов кормления переходит в хроническую форму [4]. Высокая кислотность рубца приводит к массовой гибели населяющих его микроорганизмов, и как следствие к ухудшению перевариваемости кормов, также под действием кислот происходит повреждение стенок желудка, это способствует попаданию в кровь бактерий Fusobacteriumneсrophorum, вызывающих гнойно-некротические повреждения конечностей [1, 4].
Между тем при правильно организованной схеме переработки можно из разнообразного зернового сырья различной степени кондиции вырабатывать целую гамму пищевых продуктов и продуктов промышленной микробиологии. Для этого необходимо совершенствовать способы переработки зерна, разрабатывать новые технологические решения, создавать инновационные продукты на основе зернового сырья, внедрять комплексную переработку зерна и повышать её эффективность.
Тритикале была, получена посредством скрещивания озимой ржи и мягкой и твердой пшеницы. В данной зерновой культуре удалось совместить положительные качества пшеницы и ржи, что делает ее перспективной для получения хлебопекарной муки, крахмала и продуктов его переработки.
Основными направлениями селекционного процесса по выведению новых сортов тритикале являются: кормовое и зерновое.
Хотя пищевая ценность тритикале сопоставима с таковой у пшеницы и выгодно отличается от пищевой ценности кукурузы и риса [5], ее применение в пищевой промышленности на данный момент малоразвито, поэтому существует необходимость разработки технологий ее переработки на пищевые и биотехнологические продукты.
Одним из перспективных направлений подобной переработки является производство глюкозосодер-жащих сиропов из крахмалистой части тритикале с использованием в качестве базовой операции -ферментативного гидролиза. Данные сиропы могут применяться в хлебопекарной и кондитерской отраслях пищевой промышленности, в консервировании, в производстве напитков, перерабатываться в
глюкозно-фруктозный сироп и использоваться как компонент питательных среды для культивирования микроорганизмов.
Спецификации на промышленно выпускаемые сиропы предъявляют повышенные требования к их чистоте, поэтому продукт, полученный путем ферментативного гидролиза зерна необходимо будет тщательно очищать. На начальных этапах очистки жидкостей обычно используется фильтрация [6], далее этот процесс может быть продолжен при помощи селективных и неселективных адсорбентов.
В настоящей работе исследована возможность применения методов мембранной фильтрации для очистки жидких продуктов гидролиза зерна тритикале.
Экспериментальная часть
В работе исследовали процесс ферментативного гидролиза зерна тритикале и влияние мембранной фильтрации на физико-химические показатели зерновых гидролизатов.
Объектами исследования являлись: зерно тритикале сортов Немчиновский 56 и Корнет, а также полученныеизних гидролизаты.
Показатели качества зерна определяли по стандартным методикам: влажность по ГОСТ 13586.593, число падения по ГОСТ 27676-88, натуру по ГОСТ Р 54895-2012, массу тысячи зерен по ГОСТ 10842-89.
Процесс фильтрации осуществляли черезмини-капсулы мембранные КФНС-7000-К-60, МКВг.П-2000, КФМ.ФГ-080-К-60, КФМ.ФГ-065-К-60, производства ООО НПП «Технофильтр» г. Владимир.
Для приготовления гидролизатов зерно измельчали при помощи ручной мельницы Messerschmidt. Измельченное зерно просеивали через сито с диаметром ячеек 1 мм.
Просеянное зерно смешивали с водой, нагретой до температуры 60 °С, в соотношении зерно : вода -1 : 2,5 и загружали в лабораторную установку для гидролиза, обеспечивающую постоянное перемешивание зернового замеса со скоростью 60 об/мин.
Для предотвращения резкого увеличения вязкости замеса, вследствие набухания и пептизации пен-тозанов их гидролизовали при помощи ферментного препарата ксиланазы (OptimashVR, Genencor International BVBA, Бельгия). Предварительной % раствором соляной кислоты устанавливали оптимальный для данного фермента рН = 4,0, после чего вносили ксиланазу в рекомендуемой изготовителем дозировке 0,07 кг на 1 т зернатритикале. Далее замес выдерживали при температуре 60°С в течение 30 мин, для гидролиза ксиланов.
Затем зерновой замес нагревали до 95°С, и при помощи 4 % раствора гидроксида натрия доводили его рН до оптимального для ферментного препарата термостабильной альфа-амилазы (Spezyme FRED-L, Genencor International BVBA, Бельгия) значения -5,5-5,8 после чего вносили данный препарат в рекомендуемой изготовителем дозировке 0,04-0,08 % на т сухих веществ зерна. Замес выдерживали при температуре 95°С в течение 2 ч для клейстеризации и декстринизации крахмала.
Далее замес охлаждали до температуры 60 °С, при помощи 12 % раствора соляной кислоты устанавливали оптимальный для ферментного препарата амилоглюкозидазы (Distillase L-400, Genencor International BVBA, Бельгия) рН = 4,3-4,6, затем вносили амилоглюкозидазу в рекомендуемой изготовителем дозировке 1-3 кг на т зерна.
В процессе гидролиза определяли влажность замеса и содержание в нем глюкозы. Обработку зернового замеса амилоглюкозидазой вели до стабилизации содержания глюкозы.
После окончания гидролиза зерновой замес разделяли на твердую и жидкую фракции при помощи механического фильтр-пресса.
Для снижения потерь глюкозы с твердой фракцией зернового гидролизата ее промывали водой. Соотношение твердой фракции и воды составляло 1 : 0,8. Температура воды для промывки - 60°С (для предотвращения развития микроорганизмов), продолжительность промывки - 15 мин. Промывную воду также отделяли при помощи механического фильтр-пресс.
Жидкую фракцию зернового гидролизата очищали при помощи каскада миникапсул мембранных с различными размерами пориз нержавеющей стали 304L с диаметром пор 70 мкм (КФНС-7000-К-60), из полипропилена с диаметром пор 20 мкм (МКВг.П-2000) и полиамида Nylon<5+66 с диаметром пор 0,80 мкм (КФМ.ФГ-080-К-60) и0,65 мкм (КФМ.ФГ-065-К-60). В фильтратах после каждой фильтровальной капсулы определяли содержание сухих веществ и глюкозы, а также вязкостьи цветность.
Содержание влаги в зерновом замесе и твердой фракции гидролизата определяли высушиванием в бюксах на полосках фильтровальной бумаги при 105°С до постоянной массы. Содержание сухих веществ в жидкой фракции гидролизата определяли с помощью рефрактометра по ИСО 1743-82. Цветность жидкой фракции гидролизатав единицах ICUMSA определяли по ГОСТ Р 52060-2003. Вязкость жидкой фракции гидролизата определяли при помощи вискозиметра ВПЖ-2. Содержание глюкозы определяли глюкозооксидазным методом при помощи набора «Глюкостар-500» (НПЦ «Эко-Сервис», г. Санкт-Петербург).
Для определения глюкозы в твердой фракции гидролизата навеску продукта массой 1 г переносили при помощи дистиллированной воды в мерную колбу на 100 мл, взбалтывали в течение15 мин и доводили до метки. Затем содержимое колбы отфильтровывали через сухой складчатый фильтр. В фильтрате определяли содержание глюкозы глюко-зооксидазным методом и пересчитывали на сухое вещество взятого продукта.
Результаты и их обсуждение
Целью настоящей работы являлось получение гидролизатов из зерна тритикале, и их очистка методами мембранной фильтрации.
На начальном этапе работы мы провели оценку качества зерна тритикале сортов Немчиновский 56 и Корнет, которое должно было использоваться для
приготовления зерновых гидролизатов. Результаты оценки представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика зернового сырья
Наименование пока- Значение показателя для
зателя сорта
Немчиновкий 56 Корнет
Влажность, % 8,70 8,56
Число падения, с 114 62
Натура, г/л 730,00 780,00
Масса тысячи зерен, г 42,26 48,27
Кислотность, град. 4,20 3,60
Полученные результаты оценки качества зерна сравнивали с аналогичными показателями для пшеницы и ржи, указанными в ГОСТ Р 52554-2006 «Пшеница. Технические условия» и ГОСТ Р 530492008 «Рожь. Технические условия».
По показателю «Число падения» зернотритикале сорта Немчиновский 56 соответствовалоржи 3 класса и пшенице 4 класса, а зерно сорта Корнет - ржи 4 класса и пшенице 5 класса, что связано с высокой а-амилазной активностью зерна тритикале. Натура зерна тритикале обоих сортов соответствовала ржи 1 класса, а по отношению к зерну пшеницы, зерно сорта Немчиновский 56 соответствовало мягкой пшенице 3 класса и твердой пшенице 4 класса, а сорта Корнет - пшенице 1 класса, это связано с высоким процентнымсодержанием эндосперма в зерновке тритикале относительно оболочек. Исследуемая партия зерна тритикале имела крупные и плотные зерна, так масса тысячи зерен была равна 42 г для сорта Немчиновский 56 и 48 г для сорта Корнет, по этому показателю зерно тритикале было значительно крупнее зерна ржи, масса 1000 зерен которого составляет 13-32 ги немного превышала массу 1000 зерен пшеницы, которая колеблется в пределах 20-40 г [7]. Таким образом, на основании полученных результатов можно считать, что исследованные образцы тритикале, обладали высокой амилолити-ческой активностью, а такие косвенные признаки, как натура и масса 1000 зерен, позволяют предположить, что доля крахмала в зерне тритикале достаточно велика.
По традиционной технологии сырьем для производства глюкозы являются пшеница и кукуруза, зерно тритикале же, в сравнении с ними, дешевле, более устойчиво к неблагоприятным условиям среды (заморозки, засуха), именее требовательно к составу почв. Производство глюкозы из пшеницы или кукурузы имеет ряд сложных дорогостоящих операций, таких каккондиционирование и мельничный помол пшеницы, предварительное замачивание кукурузы и последующая за этим стадия выделения крахмала в процессе которой образуются большие объемы сточных вод, утилизация которых требует больших затрат на утилизацию.
Предлагаемая нами технология производства глюкозного сиропа предусматривает вместо сложного мельничного помола прямое измельчение зерна тритикале на дробилках различных конструкций, смешивание полученной зерновой мучки с водой и
ферментативный гидролиз полученной смеси. В данной технологии, полностью исключаются этапы помола с отделением отрубей и вымыванием крахмала, что существенным образом упрощает технологическую схему, уменьшает количество необходимых производственных площадей, снижает себестоимость продукта и объем сточных вод.
Следующим этапом работы являлся ферментативный гидролиз зерна тритикале. Процесс гидролиза вели до стабилизации содержания глюкозы в гидролизате. Изменение содержания глюкозы в процессе гидролиза тритикале сортов Корнет и Немчиновский 56 представлено на рис. 1.
0 12345 6789 10 11 12
Продолжительность гидролиза, ч —□—Немчиновский 56 —й—Корнет
Рис. 1 - Динамика изменения содержания глюкозы в процессе ферментативного гидролиза тритикале сортов Немчиновский 56 и Корнет
Как видно из данных графиков, основное накопление глюкозы наблюдалось уже в первые 6 часов процесса. Таким образом, предварительно продолжительность гидролиза можно ограничить 6 часами. Следует отметить, что данная стадия требует более тщательного изучения для определения оптимальных дозировок ферментных препаратов и условий их применения, а также продолжительности воздействия каждого фермента.
Далее гидролизат разделяли при помощи лабораторного механического фильтр-пресса на твердую и жидкую фракции.
Процесс разделения оценивали по следующим показателям: количество жидкой и твердой фракции; содержание сухих веществ и глюкозы в жидкой и твердой фракции зернового гидролизата. Результаты представлены в таблице 2.
Как видно из данных табл. 2, жидкая фракция гидролизата зерна сорта Корнет содержала больше сухих веществ и глюкозы чем жидкая фракция гид-ролизата сорта Немчиновский 56. Полученные результаты коррелируют с более высокими значениями показателей натуры и массы 1000 зерен у сорта Корнет, которые свидетельствовали о большем содержании в его зернах питательных веществ, в частности крахмала.
На данном этапе работ было принято решение дальнейшиеисследования по очистке проводить с гидролизатом, полученным из зерна тритикале сорта Корнет, так какон обладал наибольшимсодержанием глюкозы на сухое вещество.
Таблица 2 - Выход и физико-химические показа-телифракций зерновыхгидролизатов тритикале
Показатель Немчиновский Корнет
56
Жид- Твер- Жид- Твер-
кая дая кая дая
фрак- фрак- фрак- фрак-
ция ция ция ция
Содержание 15,8 35,5 19,6 36,0
сухих ве-
ществ, %
Содержание 69,1 48,0 87,6 47,5
глюкозы, %
на сухое
вещество
Выход кг 3,6 1,7 3,6 1,7
% 66,7 32,4 66,7 32,4
При анализе продуктов гидролиза было установлено, что твердая фракция зернового гидролизата содержала достаточно большое количество глюкозы. С целью увеличения выходаглюкозы и снижения ее потерь проводили промывание твердой фракции водой. Для оценки эффективности данного процесса определяли содержание глюкозы в промывной воде и твердой фракции после промывки. Данные представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Выход и физико-химические показатели твердой фракциигидролизататритикале сорта Корнет после промывки и промывной воды
Полупродукт Содержание сухих веществ, % Содержание глюкозы, % на сухое вещество Выход фракции, кг
Твердая фракция 32,0 19,0 1,76
Промывная вода 14,0 86,1 1,30
Промывание позволило практически в два раза снизить содержание глюкозы в твердой фракции зернового гидролизата, однако требуются еще дополнительные исследования для дальнейшего снижения ее содержания. Полученную промывную воду можно подвергнуть очистке на мембранных фильтрах, а промытую твердую фракцию зернового гид-ролизата можно использовать в качестве корма для крупного рогатого скота.
На следующем этапе исследований проводили очистку жидкой фракции гидролизата тритикале сорта Корнет при помощи каскада мембранных фильтров с различными размерами пор.
В фильтратах после каждой фильтровальной капсулы анализировали содержание сухих веществ, содержание глюкозы, вязкость, плотность, цветность.
Важнейшим показателем, характеризующим качество процесса фильтрации, является цветность полученных продуктов. Это связано с тем, что цветность гидролизата может оказывать влияние на ор-
ганолептические характеристики продуктов его содержащих.
Изменение цветности гидролизата тритикалепо шкале ICUMSA в процессе мембранной фильтрации представлено на рис. 2.
14000 12000 10000
8000 £ 5 6000 § У
ш
=Г
4000 2000 0
11458
рЬ 9249
6067
1101 856
. ГН . г—1
20
0,80 0,65
до 70 фильтрации
Размер пор фильтра, мкм Рис. 2 - Изменение цветности жидкой фракции зернового гидролизата в процессе фильтрации
Из полученных результатов видно, что основное количество окрашивающих веществ удалялось при помощи фильтра с размером пор 0,80 мкм, после которого гидролизат становился прозрачной жидкостью светло-желтого цвета с характерным блеском.
Существенным показателем, также определяющим качество зерновых гидролизатов является содержание в них глюкозы. Данные об изменении содержания глюкозы в фильтратах жидкой фракции гидролизата тритикале в процессе фильтрации представлены на рис.3.
Размер пор фильтра. Рис. 3 - Изменение содержания глюкозы в жидкой фракции зернового гидролизатав процессе фильтрации
Из полученных данных видно, что в процессе фильтрации происходило постепенное увеличение доли глюкозы в сухом веществе гидролизата. Это связано с удалением белков, олиго- и полисахаридов и других соединений из гидролизата в процессе фильтрации.
Удаление крупных взвешенных частиц и коллоидных соединений предположительно должно было повлиять на вязкость гидролизатов, в связи с чем были проведены соответствующие измерения. Результаты представленына рис. 4.
8.40 rh 7,80
5'67 5.46
HH
70 20 0,80 0,65
Размер пор фильтра, мкм
Рис. 4 - Изменение вязкости жидкой фракции гидролизата тритикале в процессе фильтрации
Из данных диаграммы представленной на рис. 4 видно, что вязкость жидкой фракции гидролизата снижалась с уменьшением размера пор фильтрующего элемента. Это связано с удалением коллоидных частиц, которые существенно повышают внутреннее трение в гидролизате. Наибольшее снижение вязкости происходило после фильтра с размером пор 0,80 мкм, как было показано на рис. 2 после этого фильтра также происходило и максимальное снижение цветности гидролизата. Очевидно, фракция частиц, имеющая размеры, лежащие в пределах от 20 до 0,80 мкм, оказывает значительное влияние как на цветность, так и на вязкость продуктов гидролиза зерна тритикале.
В результате проведенных исследований было установлено, что мембранная фильтрация обеспечивает эффективное снижение цветности продуктов ферментативного гидролиза зерна тритикале без существенных потерь глюкозы и может быть использована для их очистки.
Литература
1. А.З. Каримова, Р.М. Потехина, Н.А. Мухаметшин, Ученые записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана, 205, 98-101 (2011)
2. В.А. Мищенко, Вестник ОрелГАУ, 2, 20-24 (2008)
3. И.А. Хусаинов, А.В. Канарский, З.А. Канарская, М.А. Поливанов, Вестник Казанского технологического университета, 14, 3, 174-179 (2011).
4. В.А. Мищенко, А.В. Мищенко, Ветеринарная патология, 2, 138-143 (2007)
5. С.Я. Корячкина, Е.А. Кузнецова, Л.В. Черепнина, Технология хлеба из целого зерна тритикале: монография, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 0рел,2012.177с.
6. N.N. Li, A.G. Fane, W.S. Winston Ho, T. Matsuura, Advanced membrane technology and application. Wiley, Ho-boken, 2008. 994 p.
7. В.А. Бутковский, Е.М. Мельников, Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства (с основами экологии), Агропромиздат, Москва, 1989, 464 с.
© М. К. Курбонова - студент кафедры технологии пищевых производств КНИТУ, lika1695@yandex.ru; М. Л. Пономарева -д.б.н., профессор, заведующая отделом селекции озимой ржи ФГБНУ «ТатНИИСХ», cmponomarev@yandex.ru; С. Н. Пономарев - д.с.-х.н., заведующий лабораторией селекции озимой тритикале ФГБНУ «ТатНИИСХ»; Т. А. Ямашев - к.т.н., доцент кафедры технологии пищевых производств КНИТУ, yamashev555@mail.ru; О. А. Решетник - д.т.н., профессор кафедры технологии пищевых производств КНИТУ, reshetnik@kstu.ru.
© M. K. Kurbonova - student of the Department of Technology of Food Productions from Faculty of Food Technology in Kazan National Research Technological University, lika1695@yandex.ru; M. L. Ponomareva - Doctor of Biological Sciences, Full Professor, Head of Department of winter rye breeding, Tatar Research Institute of Agriculture, cmponomarev@yandex.ru; S. N. Ponomarev - Doctor of Agricultural Sciences, Head of Laboratory of winter triticale breeding, Tatar Research Institute of Agriculture; T. A. Ya-mashev - Candidate of Engineering Sciences (Ph.D.), Associated Professor of the Department of Technology of Food Productions from Faculty of Food Technology in Kazan National Research Technological University, yamashev555@mail.ru; O. A. Reshetnik -Doctor of Engineering Sciences, Full Professor of the Department of Technology of Food Productions from Faculty of Food Technology in Kazan National Research Technological University, reshetnik@kstu.ru.
