Перспективы переработки пивной дробины для получения ксилозы Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

И. И. Фазлиев, С. Т. Минзанова, Ф. Ю. Ахмадуллина,

Р. З. Мусин, Л. Г. Миронова

ПЕРСПЕКТИВЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КСИЛОЗЫ

Ключевые слова: пивная дробина, кислотный гидролиз, оптимизация, ксилоза.

Пивная дробина является крупнотоннажным отходом пивоваренного производства. Перспективным направлением переработки пивной дробины (содержание БЭВ составляет - 60-65%, из них пентозанов до 28%) является использование в качестве нового источника сырья для получения ксилозы и ксилита - ценных продуктов, нашедших применение в качестве сахарозаменителя для питания больных сахарным диабетом. Цель - разработка кислотного гидролиза пивной дробины для получения пентозных гидролизатов, обогащенных ксилозой. Найдены оптимальные технологические параметры кислотного гидролиза: 4.5% концентрация H2SO4, температура 100 °С, продолжительность обработки 5 часов.

Keywords: brewing waste, acid hydrolysis, optimization, xylose.

Brewing waste is a large-capacity waste of brewing industry. The promising field of the brewing waste processing (nitrogen-free extractive substances contents comprises 60-65%, up to 28% of them being pentosans) is its use as new raw source for obtaining xylose and xylite - valuable products, found their application as sweetener for pancreatic diabetes patients nutrition. This work is devoted to the development of the ways for acid hydrolysis of brewing waste aimed at the obtaining of pentose hydrolyzates, enriched with xylose. Optimal technological parameters of acid hydrolysis are determined: hydrolyzing agent (H2SO4) concentration 4.5%, hydrolysis temperature 100°С, treatment duration 5 hours.

Из-за роста антропогенной и техногенной нагрузки на экологическую систему в настоящее время проявляется безжалостное потребительское отношение к природе. В результате экологического неблагополучия все в большей степени наблюдается значительное ухудшение качества среды обитания для биоты, сопровождающееся большими потерями ценнейших сырьевых ресурсов, включая кормовые, лекарственные и другие. К числу основных путей решения этой проблемы следует отнести внедрение экологически безвредных технологий, глубокую переработку природных и продовольственных ресурсов с обязательной утилизацией отходов производства - вторичного сырья [1].

К основным источникам загрязнения природной среды относится пищевая промышленность, в том числе и пивоваренное производство - поставщик многотоннажного отхода и ценнейшего продукта - пивной дробины. Однако высокая влажность (70-80%), способность к быстрому загниванию с выбросом в атмосферу высокотоксичных веществ гидролиза и гниения (индол, скатол, фурфурол) с одной стороны, и специфический состав пивной дробины, содержащий протеины и углеводы, обусловливают целесообразность ее

вовлечения в хозяйственный оборот, что решает двуединую задачу: ресурсосбережение и охрана окружающей среды [2].

На сегодняшний день из-за высокой питательной ценности пивная дробина нашла широкое применение в сельском хозяйстве в качестве кормовой добавки, реже используется в биотехнологии для выращивания плесневых грибов и кормовых дрожжей [3, 4]. Перспективно еще одно решение проблемы утилизации пивной дробины, особенно для регионов, обладающих развитой пивоваренной промышленностью - получение на ее основе ксилозы и ксилита. Это особенно актуально, учитывая неуклонный рост потребности в ксилите - энергетическом сахарозаменителе, необходимом для больных сахарным диабетом - болезни XXI века, отсутствие промышленного производства этих ценнейших продуктов в России. При этом, наиболее оптимальный путь практической реализации, на наш взгляд - создание малотоннажных технологических модулей, как объекты малой инженерии [5, 6].

Цель настоящих исследований - разработка процесса кислотного гидролиза пивной дробины для получения пентозных гидролизатов, содержащих преимущественно ксилозу.

Процесс переработки пивной дробины включает следующие стадии: предварительная обработка сырья; кислотный гидролиз; фильтрование; нейтрализация; центрифугирование; обработка активированным углем; обработка катионитом; обработка анионитом; перекристаллизация моносахаров.

На первом этапе исследований сырье подвергали высокотемпературной обработке водой (100 оС, продолжительность обработки 1 час) для удаления водорастворимых араби-нанов и примесей, которые в дальнейшем могут мешать кристаллизации ксилозы.

Далее осуществляли гидролиз пивной дробины растворами серной кислоты с концентрациями в интервале от 1,5% до 4,5% в течение 6,5 часов при 100 оС. Выбор последней был обусловлен легкостью ее удаления из реакционной смеси осаждением в виде сульфата бария, обеспечением наименьшей деструкции моносахаридов, что и объясняет ее более широкое применение для гидролиза по сравнению с другими минеральными кислотами.

Для оценки вклада временного фактора на выход пентозного гидролизата в работе предусматривался отбор проб из реакционной массы для определения содержания сахаров в гидролизате.

Рис. 1 - Кинетика кислотного гидролиза пивной дробины с использованием растворов серной кислоты: 1 - 1,5%; 2 - 3%; 3 - 3,5%; 4 - 4,5%

Согласно полученным данным, максимальный выход пентозного гидролизата достигает 25% при продолжительности процесса 5 часов и концентрации гидролизующего агента 4,5%.

Для уточнения и оптимизации условий проведения гидролиза пивной дробины в рамках двухфакторного эксперимента была проведена математическая обработка экспериментальных данных с получением регрессионного уравнения в виде полиномиальной зависимости второго порядка:

у = -7,93940 - 0,36698 • х, + 5,58515 • х2 + 0,48558 • х? - 0,20595 • х2 - 0,05009 • х, • х2,

где у - выход на АСВ сырья, %; х, - концентрация серной кислоты, %; х2 - продолжительность гидролиза, ч.

Адекватность расчетных и экспериментальных данных подтверждается высоким значением коэффициента детерминации К2=0,921. Графическая зависимость, описывающая влияние концентрации гидролизующего агента и продолжительности гидролиза на выход пентозного гидролизата, а также ее проекция (для более наглядной интерпретации) приведены на рис. 2.

2025 с 15-20 * 10-15 1.е 5-10 0-5

20-25 V 15-20 '>10-15 -5-10 0-5

б

Рис. 2 - Зависимость выхода пентозного гидролизата от концентрации серной кислоты и продолжительности процесса: а) пространственная графическая модель исследуемого процесса; б) проекция графической модели

Анализ полученных графических зависимостей позволяет уточнить оптимальные условия проведения кислотного гидролиза пивной дробины: концентрация серной кислоты составляет 2,6-4,5%, продолжительность процесса - 4,5-6 часов.

Учитывая высокую вероятность влияния дисперсности вторичного сырья на выход пентозного гидролизата, в работе проводилось изучение процесса гидролиза пивной дробины с различной степенью ее измельчения. Полученные данные представлены на рис. 3. Графический материал подтверждает выдвинутые предположения и обусловливает необходимость проведения дополнительных исследований для оценки влияния данного фактора на продолжительность процесса гидролиза.

30

25

5

а

т

0 < го

1

.й

т

20

15

10

□ Фракция 5-8мм

□ Фракция 1-1,5мм

1,5 3 5 6,5

Продолжительность гидролиза, ч

5

0

Рис. 3 - Влияние измельчения сырья на выход пентозного гидролизата

Последующая обработка полученных пентозных гидролизатов включала стадии нейтрализации и комплексной очистки с целью получения ксилозы. В работе перед стадией перекристаллизации предусматривали качественное и количественное определение пентозных сахаров титриметрическим методом и методом ТСХ [7]. Результаты аналитического контроля показали превалирующее наличие в гидролизате пентозных моносахаров -ксилозы и арабинозы.

Использование высокочувствительного метода МаЫь1оГ показала присутствие в супернатанте также ди-, три- и тетрасахаров: в спектрах наблюдаются фракции с молекулярной массой от 150 до 965 у.е.

Таким образом, в результате систематических исследований получено математическое описание процесса гидролиза пивной дробины, позволившее выявить оптимальные условия его проведения. Предварительные результаты по изучению влияния дисперсности сырья на режим кислотного гидролиза подтвердили необходимость проведения дальнейших исследований в данном направлении для обеспечения максимально возможного выхода целевого продукта.

и

& "

I :

1250 -

1000 -

750 -

500 -

250 -

0 -

' ’ ' ’ 200 ' ’ ' ’ 300 ’ ’ ' ’ 400 ’ ' ' ’ 500 ’ ' ’ ' 600 ’ ' ’ ' 700 ’ ' ’ ' 800 ' ' ’ ' 900 ' ’ ’ 1000’ ’ '

____________________________________________________________________________________т/г_____

Рис. 4 - Масс-молекулярное распределение компонентов гидролизата

Литература

1. Миндубаев, А.З. Стимулирующее влияние сухой фитомассы амаранта ЛтагаШкш спеп1ш на биоме-таногенез в трудноферментируемых субстратах / А.З. Миндубаев [и др.] // Вестник Казан. технол. унта. - 2009. - № 4. - С. 220 - 226.

2. Колпакчи, А.П. Вторичные материальные ресурсы пивоварения / А.П. Колпакчи, Н.В. Голикова, О.П. Андреева. - М.: Агропромиздат, 1986. - 160 с.

3. Руденко, Е.Ю. Современные тенденции переработки основных побочных продуктов пивоварения / Е. Ю. Руденко // Пиво и напитки. - 2007. - №2. - С. 66-68.

4. Васильев, А.В. Кислотный и ферментативный гидролиз отходов пивоваренной промышленности / А.В. Васильев [и др.] // Химическая технология. 2007. - Т.8. - №1.- С.17-21.

5. Минзанова, С.Т. Получение ксилозы из пивной дробины / Минзанова С. Т. [и др.] // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства». - Краснодар, 18 - 19 марта 2009. - Краснодар, 2009. - С. 161.

6. Фазлиев, И.И. Перспективы использования пивной дробины для получения ксилозы / И.И. Фаз-лиев [и др.] // Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные разработки молодых ученых - АПК России». - Казань, 18 - 19 марта 2010 г. -С.460 - 465.

7. Плешков, Б.П. Практикум по Биохимии растений / Б.П. Плешков- М., Колос, 1968. - 183 с.

© И. И. Фазлиев - магистр каф. промышленной биотехнологии КГТУ; С. Т. Минзанова - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, [email protected]; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. каф. промышленной биотехнологии КГТУ; Р. З. Мусин - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; Л. Г. Миронова - инж. исследователь ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.

833.261 965.319

568.958

526.931

436.781

364.603