CC BY
24
УДК 664.162.79+664.162.037+ 664.162.038
А. Р. Саляхова, А. А. Садриева, Л. И. Залялова, А. А. Солуянова, Т. А. Ямашев, О. А. Решетник
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ГИДРОЛИЗАТОВ ПШЕНИЦЫ
МЕТОДОМ ФИЛЬТРАЦИИ
Ключевые слова: зерно, пшеница, ферментативный гидролиз, мембранная фильтрация, микрофильтрация.
Исследован процесс фильтрации жидкой фракции пшеничного гидролизата через мембранные фильтры из полипропилена с диаметром пор 20 мкм и 1 мкм и полиамида Nylon6+66 с диаметром пор 0,45 мкм и 0,10 мкм.
Keywords: grain, wheat, enzymatic hydrolysis, membrane filtration, microfiltration.
Investigated filtration of the liquid fraction of wheat hydrolyzate through a membrane filter made ofpolypropylene with a pore diameter of 20 pm and 1 pm, and membrane filter made of polyamide Nylone+66 with a pore diameter of 0,45 pm and 0,10 pm.
Введение
Зерно является основным продуктом сельского хозяйства. Из зерна вырабатывают важные продукты питания: муку, крупу, хлебные и макаронные изделия. Зерно необходимо для успешного развития животноводства и птицеводства, что связано с увеличением производства мяса, молока, масла и других продуктов. Зерновые культуры служат сырьем для получения крахмала, патоки, спирта и других продуктов. В настоящее время необходимо совершенствовать способы переработки зерна, внедрять комплексные безотходные процессы и повышать их эффективность.
Зерно низкого качества используется в основном в кормах для крупного рогатого скота. Такое использование зерна является неэффективным, так как крахмал ими усваивается плохо. Вместе с тем крахмалистое сырье - это источник питательных веществ для человека, поэтому актуальной задачей является создание технологии переработки низкокачественного зерна на пищевые продукты. Перспективным направлением является получение
глюкозосодержащих сиропов из крахмалистой части зерна. Сиропы могут использоваться в хлебопекарной и кондитерской промышленностях, производстве напитков, их можно перерабатывать в глюкозно-фруктозный сироп [1].
В процессе производства сиропов и паток образуются различные примеси, придающие окраску и изменяющие их вкусовые свойства сиропов [2, 3], в связи с чем существует необходимость тщательной очистки сиропа. Традиционно для очистки жидкостей используется фильтрация. За последние десятилетия в этой области разработаны эффективные технологии, созданы специальные виды фильтров (для конкретных веществ, с хорошей удерживающей способностью и т.д.) [4].
В настоящей работе исследовано влияние мембранной фильтрации на качественные показатели зерновых гидролизатов.
Экспериментальная часть
Объектами исследования являлись: пшеница урожая 2012 года, выращенная в Республике Татарстан и гидролизаты, полученные из нее.
Показатели качества зерна определяли по стандартным методикам: влажность по ГОСТ 13586.5-93, число падения по ГОСТ 27676-88, натуру по ГОСТ Р 54895-2012, массу тысячи зерен по ГОСТ 10842-89, массовую долю сырой клейковины по ГОСТ Р 54478-2011.
В качестве фильтрующих элементов использовали мембранные миникапсулы МКВг.П-2000, МКВг.П-100 с фильтром из полипропилена с диаметром пор 20 и 1 мкм соответственно, и МКМ.К-045, МКМ.К-010 из полиамида Му1о^+66 с диаметром пор 0,45 мкм и 0,10 мкм (ООО НПП «Технофильтр» г. Владимир). Миникапсулы представляют собой готовый к использованию комплектный неразъемный фильтр высотой 100 мм и диаметром 48 мм, состоящий из полипропиленового корпуса-держателя с запрессованным в него мембранным (МКМ) или волоконным (МКВ) гофрированным мини-патроном с площадью фильтрующей поверхности до 0,07 м2.
Зерно измельчали при помощи дробилки БИЗ-300. 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.
Затем зерновой замес нагревали до 95 °С, и при помощи 4 % раствора гидроксида натрия доводили рН до оптимального для ферментного препарата альфа-амилазы Амилекс 3Т (ЭатБСО, Дания) значения - 5,5-5,8 после чего вносили данный препарат в рекомендуемой изготовителем дозировке (0,04-0,08 %) на сухое вещество продукта. Замес выдерживали при температуре 95°С в течение 2 ч.
Далее замес охлаждали до температуры 60°С, при помощи 12 % раствора соляной кислоты устанавливали оптимальный для ферментного
препарата амилоглюкозидазы рН = 4,3-4,6, затем вносили амилоглюкозидазу Б18Ш1а8е Ь-400 (ЭатБСО, Дания) в рекомендуемой изготовителем дозировке (2-3 кг на т зерна).
В процессе гидролиза определяли влажность замеса и содержание в нем глюкозы. Содержание глюкозы определяли
глюкозооксидазным методом при помощи набора «Глюкостар-500» (НПЦ «Эко-Сервис», г. Санкт-Петербург). Обработку зернового замеса амилоглюкозидазой вели до стабилизации содержания глюкозы.
После окончания гидролиза зерновой замес разделяли на твердую и жидкую фракции при помощи механического пресс-фильтра.
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
рефрактометрическим методом по ИСО 1743-82. Цветность жидкой фракции гидролизиата по 1СиМ8Л определяли по ГОСТ Р 52060-2003. Вязкость жидкой фракции гидролизата определяли при помощи вискозиметра ВПЖ-2.
Результаты и их обсуждение
Целью настоящей работы являлось получение зерновых гидролизатов и их очистка методом мембранной фильтрации.
Показатели качества пшеницы,
использованной в работе представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика зернового сырья
Наименование показателя Значение показателя
Влажность, % 10,75
Число падения, с 359
Натура, г/л 790,0
Масса тысячи зерен, г 41,79
Массовая доля сырой 21,5
клейковины, %
Согласно данным таблицы 1 пшеница, взятая для приготовления гидролизатов по показателю массовая доля сырой клейковины соответствовала 3 классу по ГОСТ Р 52554-2006 «Пшеница. Технические условия.».
Процесс гидролиза вели до стабилизации содержания глюкозы в гидролизате. Изменение содержания глюкозы в процессе гидролиза пшеницы представлено на рис. 1.
В среднем процесс ферментативного гидролиза зернового сырья длился 10-13 ч. Разделение зернового гидролизата на твердую и жидкую фракции осуществляли на лабораторном механическом пресс-фильтре. Показатели продуктов разделения представлены в таблице 2.
Из полученных результатов видно, что твердая фракция гидролизата содержит достаточно большое количество глюкозы, в связи с чем одним из направлений дальнейших исследований будет
экстракция глюкозы из твердой фракции и очистка полученного экстракта.
О *_1_I_I_1_I_Я_i_1_I_I_I_Я_
0 I 2 3 4 6 7 | ш И 12 13 14 15 продолжительность гидролиза, ч
Рис. 1 - Динамика изменения содержания глюкозы в процессе ферментативного гидролиза пшеницы
Таблица 2 - Показатели продуктов разделения зернового гидролизата
Фракция Содержание сухих веществ, % Содержание глюкозы, % на сухое вещество Выход фракции
кг %
Твердая 36,0±1,0 47,5±1,0 1,7 32,4
Жидкая 18,4±1,0 84,6±1,0 3,6 66,7
Существенное влияние на качество и скорость фильтрации оказывает вязкость фильтруемой среды, в связи, с чем нами была исследована вязкость полученных жидких фракций зерновых гидролизатов. Было установлено, что вязкость жидкой фракции гидролизата пшеницы составляет 6,623 сП.
На следующем этапе исследований проводили очистку жидкой фракции гидролизата пшеницы при помощи мембранных фильтров с различными размерами пор.
Основным показателем, характеризующим качество процесса фильтрации, является цветность полученных продуктов. При использовании гидролизатов в пищевой промышленности окрашивающие вещества могут ухудшать органолептические свойства пищевых продуктов, в биотехнологии окрашивающие вещества могут замедлять развитие микроорганизмов и вызывать их флокуляцию.
Изменение цветности жидкой фракции гидролизата пшеницы представлено на рис. 2.
Полученные результаты свидетельствуют, что мембранная фильтрация эффективно снижает цветность зерновых гидролизатов. После прохождения фильтров с размерами пор 0,45 мкм и 0,10 мкм гидролизаты становятся прозрачными жидкостями желтого цвета. Следует отметить, что основные группы цветообразующих веществ удаляются на рубеже 20 мкм и 0,45 мкм, при фильтрации через фильтры с размерами пор 1 мкм и 0,1 мкм существенного снижения цветности не происходило.
9000 < 8000
S 7000 у
1 лооо
I ÍOOO
g
J 4000
I зооо
G
ê 2000 1000
о
S445
7048
6449
2110
1443
0,10
до 20.00 1,00 0,45
фильтрации Размер пор фильтра, мкн
Рис. 2 - Изменение цветности жидкой фракции зернового гидролизата в процессе фильтрации
В процессе фильтрации неизбежны потери части глюкозы на фильтрах. На величину потерь оказывают влияние размер и особенности строения пор фильтра, а также свойства материала из которого изготовлен фильтр. Данные об изменении содержания глюкозы в фильтратах жидкой фракции гидролизата пшеницы представлены на рис. 3.
86 84 82 S0
1 ó ™
2 S
~ 3 76
74 72 70 (>H 66
X3.6
73.2
74,1
72,3
0.10
фильтрации
20.СК) 1.00 0,45
Ра Л'.'Р пор фильтра, мкн
Рис. 3 - Изменение содержания глюкозы жидкой фракции зернового гидролизата процессе фильтрации
Из полученных данных видно, что наибольшее количество глюкозы теряется при фильтрации жидкой фракции гидролизата через фильтр с размерами пор 20 мкм. Вероятно, это связано с тем, что на данном фильтре задерживается большое количество соединений, хорошо адсорбирующих глюкозу. Однако в процессе фильтрации происходит также увеличение содержания сухих веществ в жидкой фракции гидролизата (рис. 4), в связи с чем потери глюкозы в
пересчете на общее количество гидролизата не столь существенны.
Увеличение концентрации сухих веществ в фильтрате жидкой фракции гидролизата, вероятно, связано с тем, что на фильтрах задерживаются коллоидные вещества, хорошо связывающие воду, т. е. при фильтрации происходит незначительное концентрирование жидкой фракции гидролизата за счет удаления части воды вместе с осадком на фильтрах.
Размер пор фильтра, "км
Рис. 4 - Изменение содержания сухих веществ в жидкой фракции зернового гидролизата в процессе фильтрации
В результате проведенных исследований было установлено, что применение мембранных фильтров позволяет эффективно снижать цветность зерновых гидролизатов при незначительных потерях глюкозы. Таким образом, применение мембранных фильтров является перспективным способом очистки зерновых гидролизатов и подготовки их для пищевых и биотехнологических производств.
Литература
1. О.В. Старовойтова, З.Ш. Мингалеева, С.В. Борисова, О.А. Решетник, Вестник Казанского технологического университета, 15, 14, 193-195 (2012).
2. Z. Seres, J. Gyura, M. Eszterle, M. Djuric, Eur Food Res Techno!, 223, 6, 829-835 (2006).
3. I. Celebi, N.S. Kincal, Separation Science and Technology, 42, 8, 1761-1773 (2007).
4. N.N. Li, A.G. Fane, W.S. Winston Ho, T. Matsuura, Advanced membrane technology and application. Wiley, Hoboken, 2008, 994 p.
© А. Р. Саляхова - магистрант кафедры технологии пищевых производств КНИТУ,а1ЬтсЫк131@гатЬ1ег.ги; А. А. Садриева - магистрант той же кафедры, nastena_mai1.ru@mai1.ru; Л. И. Залялова - магистрант той же кафедры, 1ап^Ь-za1a1ova@ramb1er.ru; А. А. Солуянова - асп. той же кафедры, so1uyanovaaa@ya.ru; Т. А. Ямашев - к.т.н., доцент той же кафедры, yamashev555@mai1.ru; О. А. Решетник - д.т.н., проф., зав. каф. технологии пищевых производств КНИТУ, reshetnik@kstu.ru.
© A. R. Salyakhova - master student of the Department of Technology Food Productions of KNRTU, albinchik131@rambler.ru; A. A. Sadrieva - master student of the Department of Technology Food Productions of KNRTU, nastena_mail.ru@mail.ru; L. I. Zalyalova - master student of the Department of Technology Food Productions of KNRTU, landish-zalalova@rambler.ru; A. A. Soluyanova - postgraduate of the Department of Technology Food Productions of KNRTU, soluyanovaaa@ya.ru; T. A. Yamashev - Ph.D., Associated Professor of the Department of Technology of Food Productions of KNRTU? yamashev555@mail.ru; O. A. Reshetnik - Doctor of Engineering Sciences, Full Professor of the Department of Technology of Food Productions of KNRTU, reshetnik@kstu.ru.
