CC BY
7Научная статья УДК 663.53
DOI: 10.55196/2411-3492-2022-1-35-137-143
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ БРОЖЕНИЯ ПРИ ОСАХАРИВАНИИ ЗЕРНОВЫХ ЗАТОРОВ
Мадина Борисовна Хоконова
Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В.М. Кокова, пр. Ленина, 1в, Нальчик, Россия, 360030, dinakbgsha77@mail.ru, hppt://orcid.org/0000-0003-2791-311X
Аннотация. Для нормального развития дрожжей в процессе брожения необходимо, чтобы в заторе содержались не только сбраживаемые сахара, но и достаточное количество усвояемых дрожжами азотистых веществ. При полной замене солода культурами плесневых грибов необходимо не только обеспечить глубокий гидролиз крахмала, но и гидролиз белковых веществ сырья. Целью исследования являлось уточнение режимов культивирования штаммов плесневых грибов и разработка условий их выращивания в спиртовом производстве. Для успешного применения глубинной культуры взамен солода необходимо в производственных условиях получать достаточно активные по амилолитической и протеолитической способности культуры. Для правильной дозировки необходимо установить, до каких пределов активности культур сохраняется их полноценный ферментативный комплекс, обеспечивающий нормальное осахаривание при установленном расходе единиц активности, что глубинная культура плесневых грибов имела явно низкую активность по амилолитической способности при сравнительно высокой декстринолитической активности, что отрицательно влияло на показатели сбраживания. Установлено, что полная замена солод на глубинную культуру плесневых грибов с такой низкой активностью по амилолитической способности приводили к ухудшению технологических показателей. Более высокое содержание крахмала в бражке при осахаривании солодом обусловливается наличием нерастворенного крахмала солода. Содержание несброженных редуцирующих веществ при осахаривании этой неактивной по амилолитической способности культурой плесневых грибов выше, чем при осахаривании солодом, что приводит к некоторому снижению выхода спирта.
Ключевые слова: спиртовое брожение, осахаривание, затор, плесневые грибы, солод, ферментативная активность
Для цитирования. Хоконова М.Б. Оптимизация параметров и режимов брожения при осахаривании зерновых заторов // Известия Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова. 2022. 1(35). С. 137-143. DOI: 10.55196/2411-3492-2022-1-35-137-143
Research Article
OPTIMIZATION OF PARAMETERS AND REGIMES OF FERMENTATION DURING
SACCHARGE OF GRAIN MASH
Madina B. Khokonova
Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V.M. Kokov, Lenin Avenue, 1v, Nalchik, Russia, 360030, dinakbgsha77@mail.ru, hppt:// orcid.org/0000-0003-2791-311X
Abstract. For the normal development of yeast during fermentation, it is necessary that the mash contains not only fermentable sugars, but also a sufficient amount of nitrogenous substances digestible by the yeast. With the complete replacement of malt by cultures of mold fungi, it is necessary not only to ensure deep hydrolysis of starch, but also hydrolysis of the protein substances of the raw material. The purpose of the study was to clarify the modes of cultivation of mold strains and develop the conditions for their cultivation in alcohol production. For the successful use of deep culture instead of malt, it is necessary to obtain cultures that are sufficiently active in terms of amylolytic and photolytic abilities under production conditions.
© Хоконова М Б., 2022
For the correct dosage, it is necessary to establish to what extent the activity of cultures is preserved by their full-fledged enzymatic complex, which ensures normal saccharification at the established consumption of activity units, that the deep culture of mold fungi had a clearly low activity in terms of amy-lolytic ability with a relatively high dextrinolitic activity, which negatively affected the fermentation performance. It has been established that the complete replacement of malt with a deep culture of mold fungi with such low activity in terms of amylolytic ability led to a deterioration in technological indicators. The higher content of starch in the mash during saccharification with malt is due to the presence of undisclosed malt starch. The content of unfermented reducing substances during saccharification of this mold culture, inactive in terms of amylolytic ability, is higher than during saccharification with malt, which leads to a slight decrease in the yield of alcohol.
Keywords: alcoholic fermentation, saccharification, mash, moulds, malt, enzymatic activity
For citation. Khokonova M.B. Optimization of parameters and modes of fermentation during the saccharification of grain mashes. Izvestiya Kabardino-Balkarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universite-ta im. V.M. Kokova [Izvestiya of Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V.M. Ko-kov]. 2022; 1(35): 137-143. (In Russ.). DOI: 10.55196/2411-3492-2022-1-35-137-143
Введение. Для нормального развития дрожжей в процессе брожения необходимо, чтобы в заторе содержались не только сбраживаемые сахара, но и достаточное количество усвояемых дрожжами азотистых веществ. Солод помимо амилолитических ферментов содержит достаточно активные протеазы, гидролизующие белки зерна. При полной замене солода культурами плесневых грибов необходимо не только обеспечить глубокий гидролиз крахмала, но и гидролиз белковых веществ сырья [1, 2].
В результате спиртового брожения получается полупродукт - зрелая бражка, основу которой составляют вода и этиловый спирт.
Неточности и ошибки, допущенные в ходе технологического процесса производства, отражаются при анализе технологических показателей полученной бражки [3].
Цель исследования - оптимизация культивирования плесневых грибов и разработка условий их выращивания в спиртовом производстве.
Материалы, методы и объекты исследования. Объектами исследований служили плесневые грибы Asp. awamori, Asp. oryzae, Asp. batatae 4, Asp. usamii 45, солодовая смесь в количестве: 50% ячменного, 25% овсяного, 25% просяного.
Были поставлены следующие варианты опытов:
1. Из варочного аппарата в заводских условиях отбирали разваренную массу, осаха-ривали ее глубинной культурой плесневых грибов и сбраживали дрожжами.
2. Взяты условия первого варианта, но через сутки в бродящую массу задавали ме-лассную рассиропку из расчета 30% по весу крахмалистого сырья.
3. В отличие от первых двух вариантов для сбраживания применяли дрожжи, приготовленные на заторе, осахаренном грибами.
4-6. Варианты отличались от первых трех изменением качества глубинной культуры, взятой на осахаривание. В этих опытах применяли культуру плесневого гриба, выращенную в ферментаторах. В остальном четвертый опыт повторил условия первого, пятый - второго, а шестой - третьего.
7. Для сбраживания в лабораторных условиях была использована масса, отобранная из осахаривателя.
Количество нерастворенного крахмала и редуцирующих веществ определяли исходя из общего количества общих сбраживаемых и растворимых углеводов. Анализ основан на том, что крахмал в кислой среде при нагревании гидролизуется до растворимых углеводов. Без реакции гидролиза нерастворенный крахмал при фильтрации остается в осадке и в фильтрате определяется только количество растворимых сбраживаемых углеводов. По
разности определяют наличие нерастворенно-го крахмала в бражке.
Активность по АС и ДС определяли методом Виндиша-Кольбаха.
Крахмалистые среды осахаривали глубинной культурой плесневых грибов. Брожение велось непрерывно-поточным методом.
Результаты исследования. Поскольку при осахаривании зерновых заторов протеазы гидролизуют растительные белки, мы определили количество аминного азота, накапливающегося в заторах, осахаренных плесневыми грибами. Максимальное количество амин-ного азота накапливается при рН среды 4,55,0 и составляет в сравнительных лабораторных опытах для Asp.batatae 4-12,5 мг/100 мл, для солодовой вытяжки 18,7 мг/100 мл.
Культуры, выращенные на фильтрате барды, как правило, обладают высокой протео-литической активностью при достаточно высокой амилолитической активности [4, 5].
Для успешного применения глубинной культуры взамен солода необходимо в производственных условиях получать достаточно активные по амилолитической и протеолити-ческой способности культуры.
Для удобства расчетов в этом случае применяют так называемые «большие единицы» (б. ед.), которые в 1000 раз больше малых. Было установлено, что для полного осахари-вания 1 т крахмала необходимо в солоде иметь 700 б. ед. АС и 6000 б. ед. ДС.
На практике при применении солодов низкого качества эту норму требуется увеличить [6].
Технологической инструкцией по производству спирта этилового ректификованного из пищевого сырья предусматривается расход зерна на солод в количестве 16% от перерабатываемого крахмала зерна. При вышеуказанной активности солодов на 1 т крахмала зернового сырья будет тратиться от 728 до 1120 б. ед. амилолитической способности (АС), и от 8960 до 12040 б. ед. декстринолитической способности (ДС) в зависимости от активности солодов.
При полной замене солода поверхностной культурой плесневых грибов, как установлено экспериментально, необходимо применять смесь двух видов грибов: Asp. awamori в количестве 4% и Asp. oryzae 1% по весу перерабатываемого крахмала. Активность культур при таком расходе должна быть АС 10-14 ед/г, ДС 350-400 ед/г для Asp. awamori и АС 35-45 ед/г, ДС 200-250 ед/г для Asp. oryzae [7, 8].
Следовательно, для осахаривания 1 т крахмала будет расходоваться в этом случае АС от 830 до 1010 б. ед., а ДС от 16000 до 18500 б. ед.
Как показывают данные таблицы 1, если активность плесневых грибов находится в пределах, предусмотренных инструкцией, то при установленных нормах расхода на осаха-ривание 1 т крахмала затрачивается 8101000 б. ед. АС и 10000-18000 б. ед. ДС.
Таблица 1. Расход осахаривающих средств на 1 т крахмала Table 1. Consumption of saccharifying agents per 1 ton of starch
Расход на 1 т осахариваемого
Осахаривающее средство крахмала
Условия осахаривания т АС, б. ед. ДС, б. ед.
Смесью солодов. Расход солодово- Ячменный солод 0,112 560 3360
го зерна 16% или зеленого солода Просяной солод 0,056 140 4480
22,4% к осахариваемому крахмалу Овсяный солод 0,056 224 2240
Смесью поверхностных культур плесневых грибов (1:4). Расход 5% Asp. awamori 0,04 560 16000
по весу осахариваемого крахмала Asp. oryzae 0,01 250 2000
Глубинной культурой плесневого гриба, выращенного на барде с добавками. Расход 100% по весу оса-
хариваемого крахмала Asp. batatae 4 1,0 1000 18000
Глубинной культурой плесневого гриба, выращенного на барде. Расход 165% по весу крахмала Asp. usamii 45 1,65 320 22400
Из приведенных выше расчетов следует, что при таких расходах культуры обеспечивается весьма близкое количество единиц АС и ДС на весовую единицу осахариваемого крахмала, при нарушении которого обеспечить процесс осахаривания не удается. Дозировка культуры по ее активности должна ос-
В этом случае на 1 т крахмала затрачивается 320 б. ед. АС и 22400 б. ед. ДС. Недостаток амилолитической активности не компенсируется увеличением расхода единиц декстринолитической активности [9].
Из приведенных выше расчетов следует, что при таких расходах культуры обеспечивается весьма близкое количество единиц АС и ДС на весовую единицу осахариваемо-го крахмала, при нарушении которого обеспечить процесс осахаривания не удается. Очевидно, дозировка культуры по ее активности должна основываться на расходе единиц АС и ДС. Для правильной дозировки необходимо установить, до каких пределов активности культур сохраняется их полноценный ферментативный комплекс, обеспечивающий осахаривание при установленном расходе единиц активности.
Наибольшее влияние на процесс осахари-вания оказало качество грибной культуры, применяемой для осахаривания крахмалистого сырья.
новываться на расходе единиц АС и ДС. Для правильной дозировки необходимо установить, до каких пределов активности культур сохраняется их полноценный ферментативный комплекс, обеспечивающий осахарива-ние при установленном расходе единиц активности (табл. 2).
Во всех вариантах, где для осахаривания применялась грибная культура, выращенная в лаборатории, показатели зрелых бражек были лучшими, несмотря на добавление мелассы, применении дрожжей и разваренной массы, отобранной из варочной колонны. При использовании культуры, выращенной в производственных условиях, трехсуточное брожение не обеспечивало полного выбра-живания сахаров и содержание редуцирующих веществ в зрелых бражках колебалось от 1,0 до 1,6 г/100 мл.
Из приведенных данных видно, что резкое отличие грибной культуры по активности АС заметно сказывается на результатах брожения.
Результаты исследований показывают, что глубинная культура плесневых грибов имела явно низкую активность по АС при сравнительно высокой ДС, что отрицательно влияло на показатели сбраживания.
Полностью заменить солод на глубинную культуру плесневых грибов с такой низкой
Таблица 2. Количество единиц активности на 1 т крахмала Table 2. The number of activity units per 1 ton of starch
Условия осахаривания Осахаривающее средство Активность
АС ДС
Смесью солодов. Расход солодового зерна 16% или зеленого солода 22,4% к осахариваемому крахмалу Ячменный солод Просяной солод Овсяный солод 5 2,5 4 30 80 40
Смесью поверхностных культур плесневых грибов (1:4). Расход 5% по весу осахариваемого крахмала Asp. awamori Asp. oryzae 14 25 400 200
Глубинной культурой плесневого гриба, выращенного на барде с добавками. Расход 100% по весу осахариваемого крахмала Asp. batatae 4 100 1800
Глубинной культурой плесневого гриба, выращенного на барде. Расход 165% по весу крахмала Asp. usamii 45 20 1460
активностью по АС приводили к ухудшению В каждом опыте приведены средние дан-
технологических показателей. ные за один поток, объем которого составля-
ет 8-9 бродильных чанов (табл. 3).
Таблица 3. Параметры, характеризующие процесс брожения при осахаривании зерновых заторов Table 3. Parameters characterizing the fermentation process during the saccharification of grain mash
Номер опыта Активность культуры, ед/100 мл Расход культуры, % к объему разваренной массы Показатели зрелой бражки
АС ДС нарастание кислотности,0 редуцирующие вещества нерастворенный крахмал
г/100 мл
1 27 1579 16,6 0,32 1,25 0,1
2 27 1828 13,8 0,13 1,18 0,13
3 18 1462 14,2 0,20 0,91 0,09
4 20 1475 11,4 0,10 1,56 0,14
5 22 1561 13,8 0,12 1,15 0,1
6 25 1423 14,0 0,34 1,37 0,17
7 28 1517 15,5 0,27 1,08 0,12
Известно, что при осахаривании зеленым солодом содержание нерастворенного крахмала в зрелой бражке колеблется в пределах 0,18-0,22 г/100 мл, а содержание редуцирующих веществ в пределах 0,5-0,7 г/100 мл.
Количество нерастворенного крахмала при осахаривании культурой плесневых грибов было ниже этих пределов. Более высокое содержание крахмала в бражке при осахари-вании солодом обусловливается наличием нерастворенного крахмала солода. Содержание несброженных редуцирующих веществ при осахаривании этой неактивной по АС культурой плесневых грибов выше, чем при осахаривании солодом, что приводит к некоторому снижению выхода спирта.
Выводы. Таким образом, для эффективного применения глубинной культуры плесневых грибов необходимо повысить ее ферментативную активность прежде всего по АС не менее, чем в 4-5 раз. При снижении потерь с несброженными сахарами от 0,5 до 0,2 г/100 мл выход спирта увеличивается на 2-2,5%. Дальнейшее совершенствование процесса должно быть направлено на увеличение срока непрерывного притока питательной среды в батарею, который в настоящее время составляет 48 ч. Для этого необходимо обеспечить абсолютную стерильность процесса и условия, интенсифицирующие процесс накопления амилолитических ферментов.
Список источников литературы
1. Khokonova M.B., Kashukoev M.V., Tsagoeva O.K. The impact of the activity of a mould fungus culture on the depth of hydrolysis of raw material carbohydrates in alcohol production // Bioscience biotechnology research communications. 2021. Vol. 14 (3). Pp. 1260-1264.
2. Ашхотов Э.Ю. Экономические и экологические проблемы выбора технологии переработки (утилизации) отходов производства биоэтанола: научное издание. Нальчик: Издательство М. и В. Котляровых, 2009. 172 с.
3. Хоконова М.Б., Цагоева О.К. Качественные показатели продуктов брожения в спиртовом производстве // Известия Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова. 2019. № 1 (23). С. 52-55.
4. Качмазов Г.С. Дрожжи бродильных производств: практическое руководство. СПб.: Лань, 2012. 224 с.
5. Мукаилов М.Д., Ханмагомедов С.Г., Алиева О.Ю. Особенности и индикаторы повышения конкурентоспособности региональной аграрной экономики // Региональные проблемы преобразования экономики. 2017. № 3 (77). С. 4-10.
6. Мукаилов М.Д., Хоконова М.Б. Технология и оборудование бродильных производств: учебное пособие. Нальчик: Изд-во М. и В. Котляровых, 2015. 203 с.
7. Серба Е.М., Абрамова И.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Грунин Е.А. Влияние ферментных препаратов на технологические показатели зернового сусла и качество пива // Пиво и напитки. 2018. № 1. С. 50-54.
8. Хоконова М.Б., Цагоева О.К. Качественные показатели зерновых заторов, осахаренных ферментами глубинной культуры солода // Актуальная биотехнология. 2019. № 3 (30). С. 244248.
9. Ашхотов Э.Ю. Экономические и экологические проблемы выбора технологии переработки (утилизации) отходов производства биоэтанола: научное издание. Нальчик: Издательство М. и В. Котляровых, 2009. 172 с.
References
1. Khokonova M.B., Kashukoev M.V., Tsagoeva O.K. The impact of the activity of a mold fungus culture on the depth of hydrolysis of raw material carbohydrates in alcohol production. Bioscience biotechnology research communications. 2021;14(3):1260-1264.
2. Ashkhotov E.Yu. Economic and environmental problems of choosing a technology for processing (utilization) of bioethanol production waste: nauchnoe izdanie. Nal'chik: Izdatel'stvo M. i V. Kotlyarovyh. 2009. 172 p. (In Russ.)
3. Khokonova M.B., Tsagoeva O.K. Qualitative indicators of fermentation products in alcohol production. Izvestiya Kabardino-Balkarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta im. V.M. Kokova [Izvestiya of Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V.M. Kokov]. 2019;1(23):52-55. (In Russ.)
4. Kachmazov G.S. Drozhzhi brodil'nyh proizvodstv: prakticheskoe rukovodstvo [Yeast fermentation industries: a practical guide]. St. Petersburg: Lan', 2012. 224 p. (In Russ.)
5. Mukailov M.D., Khanmagomedov S.G., Alieva O.Yu. Features and indicators of increasing the competitiveness of the regional agrarian economy. Regional'nye problemy preobrazova-niya ekonomiki [Regional problems of economic transformation]. 2017;3 (77):4-10. (In Russ.)
6. Mukailov M.D., Khokonova M.B. Tekhnologiya i oborudovanie brodil'nyh proizvodstv [Technology and equipment of fermentation industries]: uchebnoe posobie. Nal'chik: Izdatel'stvo M. i V. Kotlyarovyh. 2015. 203 p. (in Russ.)
7. Serba E.M., Abramova I.M., Rimareva L.V. et al. Influence of enzyme preparations on the technological parameters of grain wort and the quality of beer. Pivo i napitki [Beer and drinks]. 2018;1:50-54. (In Russ.)
8. Khokonova M.B., Tsagoeva O.K. Qualitative indicators of grain mash, saccharified by enzymes of the deep culture of malt. Aktual'naja biotehnologija [Actual biotechnology]. 2019;3(30): 44-248. (In Russ.)
9. Ashkhotov, E.Yu. Economic and environmental problems of choosing a technology for processing (utilization) of bioethanol production waste. Nal'chik: Izdatel'stvo M. i V. Kotlyarovyh. 2009. 172 p. (In Russ.)
Сведения об авторе
Хоконова Мадина Борисовна - доктор сельскохозяйственных наук, доцент, профессор кафедры технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В.М. Кокова», SPIN-код: 4098-3325, Author ID: 467141, Scopus Author ID: 57203266828
Information about the author
Madina B. Khokonova - Doctor of Agricultural Sciences, Associate Professor, Professor of the department of technology production and processing of agricultural product, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V.M. Kokov», SPIN-код: 4098-3325, Author ID: 467141, Scopus Author ID: 57203266828
Статья поступила в редакцию 07.02.2022; одобрена после рецензирования 25.02.2022; принята к публикации 01.03.2022.
The article was submitted 07.02.2022; approved after reviewing 25.02.2022; accepted for publication 01.03.2022.
