CC BY
76
Биотехнология, бионанотехнология и технология сахаристых продуктов
УДК 637.52:576.852.24 Доцент А.Н. Яковлев,
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра технологии бродильных производств и виноделия, тел. (473) 255-37-32
ст. преподаватель С.Ф. Яковлева, профетеор О.С. Корнеева, студент Т.С. Ковалева
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра микробиологии и биохимии, тел. (473) 255-55-57
Применение мультиэнзимного комплекса при получении этилового спирта из проблемного сырья
Исследовано влияние комплексного ферментного препарата Брюзайм BGX на величину вязкости ржаного замеса. Показана динамика накопления массовой доли сухих и редуцирующих веществ в замесе, а также возможность снижения дозировки глюко-амилазы при использовании мультиэнзимного комплекса на стадии водно-тепловой обработки. Установлено, что применение мультиэнзимного комплекса на стадии водно-тепловой обработки позволяет увеличить содержание глюкозы в сусле на 34,7 % по сравнению с контролем, что повышает выход спирта на 1,4 дал /т условного крахмала, сокращает продолжительность брожения до 50 - 52 ч и уменьшает общее содержание примесей в зрелой бражке на 10 %.
Influence of the complex enzyme preparation of Bruzaime BGX on viscosity of a rye batter was probed. Dynamics of accumulation of a weight fraction of dry and reducing materials in a batter, and also possibility of decrease in a dosage glucoamilase is shown at using of mul-tienzymic complex at a stage of water-thermal processing. It was set that multienzymic complex application on stages of water-thermal processing allows to increase the glucose maintenance in a wort by 34,7 % in comparison with the control that raises an alcohol yield on 1,4 dal/tonn conditional starch, reduces duration of fermentation till 50-52 h and reduces the general screenings content in a fermented wash by 10 %.
Ключевые слова: мультиэнзимный комплекс, ржаной замес, водно-тепловая обработка, процесс осахаривания, спиртовое брожение.
Одним из перспективных направлений спиртового производства является максимальное использование всех высокомолекулярных полимеров зернового сырья за счет применения мультиэнзимных комплексов с целью увеличения выхода спирта, а также совершенствование технологии переработки проблемного сырья с целью расширения сырьевой базы [4,5].
Рожь является проблемным сырьем для спиртового производства. Ржаные замесы и сусло имеют высокую вязкость из-за высокого содержания во ржи гемицеллюлоз. Переработка концентрированных ржаных замесов невозможна без применения ферментных препаратов, расщепляющих гемицеллюлозную фракцию зерна ржи.
© Яковлев А.Н., Яковлева С.Ф., Корнеева О.С., Ковалева Т.С., 2012
Одним из перспективных направлений в совершенствовании технологии спирта из проблемного сырья является применение более совершенных схем водно-тепловой обработки сырья с использованием высокоэффективных ферментных препаратов, действующих на некрахмалистые полисахариды с целью сокращения расхода амилолитических ферментов, теплоэнергоресурсов, увеличения производительности технологического оборудования и выхода спирта. В связи с этой актуальной проблемой был проведен ряд исследований, целью которых являлось усовершенствование технологии получения этанола из ржи на основе применения мультиэнзимного комплекса на стадии водно-тепловой подготовки сырья.
ВестникВГУИТ, № 3, 202
В качестве сырья для проведения исследований использовали рожь, крахмалистостью 53 %, влажностью 14,5 %, помол со степенью измельчения 75 - 76 и 95 - 96 %. При водно-тепловой и ферментативной обработке замеса в качестве источника термолабильной а-амилазы использовали ферментный препарат Ликвамил 1200С, источника протеаз - протеолитический ферментный препарат 0С-106. Для расщепления некрахмалистых полисахаридов использовали комплексный препарат Брюзайм ВОХ, содержащий ксиланазу и у#-глюканазу.
Водно-тепловую обработку замеса проводили в три этапа: при температуре 50 - 55 оС выдерживали в течение 20 мин, затем нагревали до температуры 60 - 65 оС и выдерживали при этой температуре 40 мин, далее нагревали до температуры 70 - 75 оС и выдерживали 60 мин [6].
Осахаривание разваренной массы, полученной при оптимальном режиме водно-тепловой обработки, проводили ферментным препаратом глюкоамилазы Глюкозим Л -400 С+ из расчета 6,0 ед. ГлС на 1 г крахмала. В качестве контроля использовали разваренную массу, полученную с использованием только ферментного препарата Ликвамил 1200 С с дозировкой 1,0 ед. АС на 1 г крахмала. Осахаривание проводили при температурах 50-65 0С и рН 4,0-5,5 в течение 120 мин рН разваренной массы регулировали путем внесения в нее серной кислоты.
В процессе осахаривания изучали динамику накопления глюкозы в сусле глюкоокзи-дазным методом в зависимости от температуры, рН и дозировки глюкоамилазы. Каждые 30 мин отбирали пробы для определения глюкозы [3].
Полученное сусло сбраживали дрожжами Saccharomyces cerevisiae XII расы в течение 3 сут при температуре 28...30 °С. По окончании срока брожения в полученной бражке определяли объемную долю спирта и рассчитывали его выход, а также определяли содержание растворимых несброженных углеводов и нераство-ренного крахмала.
Вязкость ржаных замесов обусловлена крахмалом, гемицеллюлозами и белками, которые в ходе водно-тепловой обработки набухают, при этом образуется комплекс, затрудняющий доступ ферментов к крахмальным гранулам, что приводит к снижению степени ферментативного гидролиза его до сбраживаемых сахаров. Изучали эффективность воздействия ферментов, действующих на некрахмалистые полисахариды, на вязкость замеса.
Максимальное значение вязкости соответствует контрольному образцу (без ферментов) и составляет около 20 Пас = 65 °С). Ферментный препарат Ликвамил 1200С значительно снижает вязкость замеса на 56 и 72 % при дозировке фермента 0,5 и 1,0 ед. АС/ г крахмала. При применении ферментного препарата Брюзайм ВОХ вязкость замеса снижается на 40 %, что связано с гидролизом ксилана и у5-глюкана до низкомолекулярных фракций, повышающих подвижность замесов.
Реологические свойства замеса так же зависят от количества белка. При нагреве замеса белки набухают и наряду с крахмалом повышают вязкость. Ферментный препарат протеазы ОС-106 позволяет снизить вязкость ржаного замеса по сравнению с контролем на 17,5 % (рис. 1). Снижение вязкости обусловлено гидролизом белков протеазой до пептидов и небольшого количества аминокислот.
о св
С
■а
н
о §
оо «
т
\ 1
3 1
Ч\5
Рис. 1. Влияние температуры на вязкость ржаных замесов: 1 - контроль; 2 - 0С-106 (0,2 ед. ПС/г крахмала); 3 - Брюзайм ВОХ (0,1 см3/кг крахмала); 4 - Ликвамил (0,5 ед. АС/г крахмала); 5 - Ликвамил (1,0 ед. АС/г крахмала); 6 - Ликвамил (0,5 ед. АС/г крахмала), Брюзайм ВОХ (0,02 единиц в -ГкС/г крахмала), 0С-106 (0,2 ед. ПС/г крахмала)
Совместное действие мультиэнзимно-го комплекса снижает вязкость ржаного замеса на 78 % по сравнению с контролем, кроме того, применение ферментного препарата Брюзайм ВОХ и ОС-106 позволяет уменьшить расход а-амилазы в 2 - 2,5 раза. Наблюдается плавное увеличение вязкости, отсутствуют резкие скачки. Это позволяет нагревать замес до высокой температуры и выдерживать его в течение времени, которое необходимо по технологическому режиму, перерабатывать высококонцентрированные замесы,
0
45
50
55
60
65
70
75
ВестникВГУИТ, № 3, 202
снижать расход теплоэнергоресурсов, увеличить производительность спиртового завода.
В процессе водно-тепловой обработки определяли массовую долю сухих веществ в замесе [3]. Накопление сухих веществ идет постепенно в течение всего анализируемого процесса и достигает максимального значения к концу водно-тепловой подготовки (табл. 1).
Т а б л и ц а 1
Массовая доля сухих веществ в замесе на стадии водно-тепловой подготовки в зависимости от ее продолжительности
Продолжитель- Массовая доля сухих веществ, %
ность водно- Ликва- Ликвамил Ликвамил
тепловой подго- мил (0,5 ед (0,5 ед
товки, мин (0,5 ед АС/г АС/г
АС/г крахма- крахма-
крахма- ла), ла),
ла) Брюзайм Брюзайм
(0,02 (0,02
единиц в единиц в
- ГкС/г - ГкС/г
крахмала) крахма-
ла), ОС-
106 (0,2
ед ПС/г
крахмала)
0 3,0 5,0 4,0
20 6,0 9,0 5,0
60 12,0 13,0 13,2
120 14,0 15,6 15,7
180 14,3 15,9 16,2
240 14,4 16,0 16,2
0 3,0 5,0 4,0
Из табл. 1 видно, что продолжительность процесса гидроферментативной обработки замеса можно ограничить 2-3 ч, после чего растворение сухих веществ мало заметно.
В зависимости от продолжительности ферментативной обработки массовая доля сухих веществ, переходящих в растворимое состояние, значительно увеличивается.
Внесение на стадии водно-тепловой обработки ферментов дополнительного действия приводит к увеличению массовой доли сухих веществ. С повышением концентрации сусла увеличивается производительность технологических аппаратов. Кроме того, это способствует снижению расхода основных ферментов на стадиях приготовления сусла.
В производстве этилового спирта стадия осахаривания является одной из основных. От качества проведения данного процесса зависит качество и выход конечного продукта, количество производственных потерь. В основе осаха-ривания лежит гидролиз крахмала разваренной
массы под действием ферментов осахарива-ющих средств [2].
Осахаривание разваренной массы проводили ферментным препаратом глюкоами-лазы Глюкозим Л - 400 С+ из расчета 6,0 ед ГлС на 1 г крахмала. В качестве контроля использовали разваренную массу, полученную с использованием только ферментного препарата Ликвамил 1200С с дозировкой 1,0 ед. АС на 1 г крахмала.
В процессе осахаривания изучали динамику накопления глюкозы в сусле глюкоокзи-дазным методом в зависимости от температуры, рН и дозировки глюкоамилазы [3]. Температура оказывает существенное влияние на процесс осахаривания. С повышением температуры увеличивается реакционная способность молекул субстрата. Максимальное накопление глюкозы наблюдается при температуре 60 0С и рН 4,5.
С увеличением дозировки глюкоамила-зы возрастает концентрация фермента, а следовательно, и скорость гидролиза крахмала (рис. 2).
1
4
30 60 90
Продолжительность, мин
Рис. 2. Динамика накопления глюкозы в процессе осахаривания в зависимости от дозировки глюкоамилазы при температуре 60 0С и рН 4,5, ед ГлС на 1 г крахмала: 1 - 6,0; 2 - 5,0; 3 - контроль; 4 - 4,0.
При использовании мультиэнзимного комплекса наблюдается увеличение содержания глюкозы на 34,7 % по сравнению с контролем. Степень гидролиза крахмала увеличивается, потому что он становится более доступным для действия глюкоамилазы за счет растворения белковых и гемицеллюлозных оболочек. Из рис. 2 видно, что применение мультиэнзимного комплекса позволяет сократить расход глюкоамилазы до 4,0 ед ГлС на 1 г крахмала, вместо 6,0 ед ГлС на 1 г крахмала в контроле.
12
10
8
6
ре 4
2
0
0
20
Процесс спиртового брожения является самым длительным, инерционным и наименее управляемым в технологической цепи производства спирта. Эффективность процесса спиртового брожения зависит, главным образом, от состава питательной среды, физиологических и технологических свойств, применяемых для этой цели дрожжей, способов сбраживания среды [6].
Характер брожения наглядно иллюстрирует рис. 3.
1,6 -
И 1,4
[1 1 «
о
!°,8
к
1°,6 а '
3°,2
0 *
0 12 24 36 48 6° 72
Продолжительность брожения, ч
Рис. 3. Кинетика процесса сбраживания ржаного сусла: 1 - контроль; 2 - опыт
Как видно из рис. 1-3, при сбраживании сусла различаются три периода. Первый период - возбраживание - протекает несколько часов: контроль 6 - 8 ч; опыт 3 - 4 ч. В этот период идет размножение дрожжей, накопление их биомассы и медленно начинается превращение сахаров в спирт и углекислоту. Продолжительность возбраживания в опыте в 2 раза короче, чем в контроле, что связано с более сбалансированной питательной средой для дрожжей в опытных образцах сусла.
Второй период - главное брожение. В этот период происходит быстрое сбраживание сахаров и интенсивное накопление спирта. Сбраживается основная часть сахаров, содержащихся в сусле.
Период главного брожения в контрольных пробах продолжается 24 - 26 ч и при этом сбраживается до 90 % сахаров, содержащихся в сусле, а в контроле - 26 - 28 ч, при этом сбраживается всего 75 - 8° % сахаров, содержащихся в сусле.
Третий период - дображивание. В этот период происходит доосахаривание декстринов и крахмала ферментами, содержащимися в бражке до сбраживаемых сахаров и сбражива-
ние полученных сахаров в спирт и углекислоту. Продолжительность стадии зависит от активности ферментов и дрожжей.
Общая продолжительность брожения в контрольной пробе составила 68 - 70 ч, в опытной пробе 50 - 52 ч. Брожение в опытной пробе протекает более интенсивно. Это объясняется тем, что при использовании комплекса ферментов, содержащего протеолити-ческий фермент, происходит гидролиз белкового комплекса зерна ржи до пептидов и аминокислот, в результате чего сусло обогащается дополнительным азотистым питанием [1]. В образце степень гидролиза крахмала выше, чем в контрольном, тем самым сокращается продолжительность стадии дображивания, а в целом и весь процесс брожения.
По окончании срока брожения в полученной бражке определяли объемную долю спирта и рассчитывали его выход, а также определяли содержание растворимых несбро-женных углеводов и нерастворенного крахмала. Полученные данные представлены в табл. 2 [3].
Т а б л и ц а 2 Показатели зрелой бражки
Дозировка ферментных пре-
Показатели паратов на тонну крахмала
Брюзайм ВОХ, °,°6 ОС-1°6,
Кон- ОС- дм3 0,210 6 ед.; Брюза йм ВОХ, °,°6 дм3
троль 1°6, 0,210 6 ед.
Объемная
доля спирта, % об 7,8 8,4 8,2 8,8
Содержание
растворимых несброжен-
ных углеводов, г/100см3 °,4° °,2° °,35 °,18
Содержание
нерастворен-
ного крахмала, % °,12 °,°9 °,°8
Нарастание
титруемои
кислотности,
град °,2 °,15 °,18 °,15
Выход спир-
та, дал/т усл.
крахмала 65,6 66,3 66,1 66,7
Продолжительность 7°,° 6°,° 65,° 55,°
| брожения, ч |_|_|_|_|
Из табл. 2 видно, что в опытном образце наблюдается увеличение выхода спирта по сравнению с контролем на 1,4 дал /т условного крахмала. Это объясняется тем, что при использовании комплекса ферментов уменьшается количество вторичных продуктов, наиболее полно сбраживаются углеводы сусла за счет более полного и глубокого гидролиза крахмала и высокой бродильной активности дрожжей.
Применение ферментных препаратов, действующих на некрахмалистые полисахариды, приводит к увеличению выхода спирта за счет гидролиза у5-глюкана сырья до глюкозы.
В обычных условиях спиртового брожения из глюкозы под действием ферментативного комплекса дрожжей образуются побочные продукты: альдегиды, эфиры, высшие спирты, органические кислоты и другие соединения.
Содержание примесей определяли в отгонах зрелой бражки газохроматографическим методом ( табл. 3).
Т а б л и ц а 3
Содержание летучих примесей в зрелой бражке
Летучие примеси, % об. Контроль Опыт
Ацетальдегид 0,0035 0,0019
Этилацетат 0,0066 0,0031
Метанол 0,0085 0,0079
Пропанол 0,0061 0,0032
Изопропанол 0,0012 0,0011
Изобутанол 0,014 0,015
Изоамилол 0,032 0,034
Общее количество примесей 0,0719 0,0662
В опытном образце по сравнению с контролем снижается содержание ацетальдегида, этилацетата, метанола, пропанола и изопропа-нола, и несколько увеличивается содержание изобутанола и изоамилола. Общее количество примесей в опытном образце на 10 % меньше, чем в контроле, что в дальнейшем облегчает ректификацию и позволяет получить готовую продукцию более высокого качества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жеребцов, Н.А. Биохимия [Текст] / Н.А. Жеребцов, Т.Н. Попова, В.Г. Артюхов.
- Воронеж: ВГУ, 2002. - 696 с.
2. Жеребцов, Н.А. Ферменты: их роль в технологии пищевых продуктов [Текст]: учебное пособие / Н.А. Жеребцов, О.С. Кор-неева, Е.Д. Фараджева. - Воронеж: ВГУ, 1990.
- 120 с.
3. Полыгалина, Г.В. Технохимический контроль спиртового и ликеро-водочного производств [Текст] / Г.В. Полыгалина. - М.: Колос, 1999. - 336 с.
4. Римарева, Л. В. Состояние и перспективы развития современных технологий в спиртовом производстве [Текст] / Л. В. Рима-рева // Производство спирта и ликеро-водочных изделий. - 2005. - № 2. - С. 4-6.
5. Римарева, Л.В., Мультиэнзимные системы в производстве спирта [Текст] / Л.В. Римарева, М.Б. Оверченко, Н.И. Игнатова,
A.Т. Кадиева // Производство спирта и ликеро-водочных изделий. -2004. -№ 3. -С. 22 - 24.
6. Яровенко, В. Л. Технология спирта [Текст] / В. Л. Яровенко, В. А. Маринченко,
B. А. Смирнов [и др.]; под общ. ред. В.Л. Яровенко. - М.: Колос, 2002. - 464 с.
