Научная статья на тему 'Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы. Часть 1. Получение сусла'

Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы. Часть 1. Получение сусла Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
389
74
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Пиво и напитки
ВАК
Ключевые слова
ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫЕ ФРАКЦИИ / КУКУРУЗА / СУСЛО / ТЕХНОЛОГИЯ ЭТАНОЛА

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Кузьменкова Наталья Михайловна, Крикунова Людмила Николаевна

В данной работе было рассмотрено влияние температурных режимов на получение разваренной массы из трех образцов сырья: исходного зерна кукурузы; прошедшего гидротермическую обработку (ГТО) и стадию биотехнологической предобработки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Кузьменкова Наталья Михайловна, Крикунова Людмила Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The Development of Complex Technology of Ethanol from Corn. Part 1. Obtaining Wort

In this paper we analyzed the impact of temperature modes for a tenderized mass of 3 samples of raw materials: raw corn, past the hydrothermal treatment (GTP) and the preprocessing stage biotechnology.

Текст научной работы на тему «Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы. Часть 1. Получение сусла»

ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.5:664.784 (045)

Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы

Часть 1. Получение сусла

Н. М. Кузьменкова,

аспирант

Московский государственный университет пищевых производств

Л. Н. Крикунова,

д-р техн. наук, профессор ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности

Анализ состояния пивоваренной, безалкогольной и спиртовой отраслей Российской Федерации показывает, что на современном этапе развития одно из приоритетных направлений — создание высокоэффективных технологий [1-3], основанных на экономии материальных, топливных, энергетических ресурсов на всех стадиях производства конечной продукции. Так, в настоящее время в спиртовой отрасли на стадии разжижения и декстри-низации водно-зерновых замесов предприятия отрасли, работающие по схеме механико-ферментативной обработки, используют различные температурно-временные режимы. Наиболее распространен режим, предусматривающий гидролиз полимеров зернового сырья при выдержке замеса в соответствии со следующими стадиями [4]:

• температура в смесителе г = 45... 50 °С, т = 30 мин;

• температура в аппарате 1-й ступени г = 65.70 °С, т = 90120 мин;

• температура в аппарате 2-й ступени г = 95.98 °С, т = 90120 мин.

На отечественных спиртовых предприятиях традиционно зерно кукурузы чаще перерабатывают по схемам с развариванием; в случае применения механико-ферментативного способа — с удлинением пауз и повышением температур.

В данной работе рассмотрено влияние температурных режимов на получение разваренной массы из исходного зерна кукурузы — контроль 1 (К1); прошедшего гидротермическую

обработку (ГТО) — контроль 2 (К2) и стадию биотехнологической предобработки (БТО) — опыт (О) [5, 6].

В качестве объектов исследований в работе использовали кукурузу с условной крахмалистостью 74,43% на сухое вещество и дифференцированные фракции эндосперма с крахмалистостью 77; 41 и 80,5% для образцов К2 и О соответственно.

Процесс получения сусла оценивали по влиянию вида сырья на концентрацию сусла, а также концентрацию экстракта — продукта, полученного путем смешивания обработанной среды сусла с большим количеством воды и последующей фильтрацией. Этот показатель позволял получить данные по максимально возможному переводу сухих веществ сырья в растворимое состояние.

Установлено, что разделение зерна кукурузы на дифференцированные фракции позволяет увеличить концентрацию сусла с 14,3% до 15,2-16,1% (табл. 1). Кроме того, повышается переход в экстракт сухих веществ, причем в большей степени за счет увеличения растворимости крахмала. Расчет перехода сухих веществ от исходного содержания крахмала в сырье позволяет в определенной мере учесть разницу данного основного компонента в различных образцах сырья.

Данные, представленные в табл. 1, также показывают, что концентрация сусла из кукурузы с использованием метода механико-ферментативной обработки по режиму регламента характеризуется

32 ПИВО и НАПИТКИ 2014

'ТЕХНОЛОГИЯ

Таблица 1

Образец Способ обработки Концентрация сухих веществ, % Переход в экстракт от исходного в сырье, %

кукурузы Сусло Экстракт Сухие вещества Крахмал

Контроль 1 Без обработки 14,3 4,4 63,6 89,6

Контроль 2 ГТО 15,2 4,6 67,8 91,3

Опыт БТО 16,1 5,0 75,0 97,2

Таблица 2

Фактор Интервал варьирования

Временной режим на стадиях водно-тепловой обработки, мин Пауза 1 (30-60) Пауза 2 (90-120) Пауза 3 (90-120)

Степень дробления кукурузы, 100%-ный проход через сито С, мм От С = 1,0 мм до С = 0,56 мм

Норма внесения АС, ед. АС/г условного крахмала сырья От 0,1 до 0,4*

Норма внесения ПС, ед. ПС/г сырья От 0,01 до 0,05

* В случае использования ферментного препарата с термостабил ьной а-амилазой.

18—1

16-

14-

&12"

=1 10-

8-

он К 6-

4-

2-

0-

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Ц Контроль 1 Опыт

Рис. 1. Влияние режимов водно-тепловой обработки на концентрацию сусла

невысокими значениями концентрации сусла при учете исходного содержания крахмала в сырье. Поэтому далее было изучено влияние технологических параметров водно-тепловой и ферментативной обработки на показатели качества осахаренного сусла из кукурузы. Выбранные факторы и интервалы их варьирования представлены в табл. 2.

Значение первых трех факторов регламентируется нормативными документами (при применении кукурузы, перерабатываемой в соответствии с режимами Регламента, норма внесения разжижающего ферментного препарата а-амилазы составляет от 0,5-1,0 ед. АС / г условного крахмала сусла; степень дробления соответствует 94-95% прохода через сито й = 1 мм). В качестве дополнительного фактора в работе изучено влияние нормы внесения ферментного препарата с эндопротеиназной активностью. Выбор данного фактора был обусловлен тем, что используемое зерно кукурузы и его дифференцированные фракции характеризова-

лись низким содержанием белка (на уровне 6,31-7,13%). Кроме того, ранее было отмечено, что в данных белках преобладают труднорастворимые фракции [7]. Все это могло, при недостаточной степени гидролиза белков, привести к дефициту азотного питания для дрожжей и, как следствие, к проблемам на стадии сбраживания.

С целью сокращения энергозатрат на стадии получения разваренной массы в работе были выполнены эксперименты, связанные с возможностью снижения продолжительности пауз при обработке.

Пауза № 1, осуществляемая при г = 45...50 °С, предусматривает как основной результат набухание крахмала. Известно, что крахмал кукурузы среди всех зерновых культур труднее подвергается набуханию из-за плотной белковой матрицы, поэтому логично было продлить первую паузу с 30 мин до 60 мин [8].

Паузы № 2, 3, проводимые при г = 65.70 °С и 95.98 °С, являются основными. В них происходят процессы растворения и декстриниза-ции крахмала сырья. При варьирова-

нии длительности данных пауз были исследованы четыре варианта:

• вариант 1 — паузы водно-тепловой обработки по режиму Регламента;

• варианты 2, 3, 4 — режимы с увеличенными на 30 мин паузами 1 и 2. Данные, приведены на рис. 1,

показывают, что увеличение продолжительности водно-тепловой обработки практически не влияет на концентрацию сусла, полученного из исходного зерна кукурузы. Вместе с тем переработка фракции эндосперма, в отличие от целого зерна кукурузы, зависит от режимов процесса получения сусла. Во всех вариантах увеличение продолжительности пауз приводит к повышению концентрации сусла. Лучший по данному показателю — вариант 3, в котором пауза 2, осуществляемая при г = 65.70 °С, увеличена с 1,5 до 2,0 ч. Концентрация сусла повышается с 16,1 до 17,5%.

В качестве второго варьируемого фактора, изученного в процессе получения сусла из кукурузы и дифференцированной фракции опытного образца в настоящей работе, рассмотрена степень дробления сырья. По типовому Регламенту помол должен соответствовать 94-95%-ному проходу через сито й = 1,0 мм. Вместе с тем известно, что увеличение степени дробления сырья может привести к повышению доступности полимеров зерна водно-тепловой и ферментативной обработке.

Данные, представленные в табл. 3, показывают, что использование по-

Таблица 3

Степень Концентрация сухих веществ, % Переход в экстракт от исходного в сырье, %

измельчения Сусло Экстракт Сухие вещества Крахмал

К1 О К1 О К1 О К1 О

Сито С = 1,0 мм Проход — 100% 14,3 16,1 4,4 5,1 63,6 75,1 89,1 99,1

Сито С = 0,8 мм Проход — 100% 14,1 16,2 4,1 5,2 59,3 76,6 83,4 101,0

Сито С = 0,56 мм Проход — 100% 13,6 16,6 4,2 5,2 60,7 76,6 85,5 101,0

2014 ПИВО и НАПИТКИ 33

ТЕХНОЛОГИЯ'

Таблица 4

Дозировка Термамила SC, ед. АС/г условного Концентрация сухих веществ, % Переход в экстракт от исходного в сырье, %

Сусло Экстракт Сухие вещества Крахмал

крахмала сырья К1 О К1 О К1 О К1 О

0,1 13,6 15,1 4,1 4,7 59,28 69,2 83,5 91,2

0,2 14,3 16,1 4,4 5,0 63,6 75,1 89,1 97,2

0,3 14,6 16,3 4,6 5,0 66,5 76,6 93,6 97,2

0,4 15,1 16,5 4,8 5,1 69,4 76,6 97,7 99,0

мола с большей против контроля степенью измельчения кукурузы, напротив, характеризуется снижением концентрации сусла и возможного перехода сухих веществ сырья в экстракт. Особенно существенно выявленная зависимость проявляется при степени измельчения зерна, близком к помолу муки (100%-ный проход через сито й = 0,56 мм). Вероятнее всего, данный факт связан с существенным изменением диффузионных свойств обрабатываемой смеси. Несмотря на периодическое перемешивание среды в ходе проведения экспериментов, мелкий помол может оседать на дно емкости, тем самым ухудшая доступность крахмала ферментативному воздействию. Негативное влияние на процесс может также оказать повышенный переход определенных фракций белков и части липидов кукурузы в растворимое состояние. Первые могут повысить вязкость сред, а липиды, по данным ряда авторов [9, 10], обладают экранирующим действием.

17,5—|

17-

# 16,5-

ё 163"

X

X

& 15-

СЦ

I 14,5£ 14-

О

13,51312,5-

Норма внесения Нейтразы L 0,8, ед. ПС/г сырья

Ц Контроль Опыт

Рис. 2. Влияние норм внесения протеолитического ферментного препарата на концентрацию сусла

Переработка кукурузы после выделения зародыша характеризуется принципиально другой зависимостью. С увеличением степени дробления концентрация сусла возрастает. Однако повышение степени дробления несущественно увеличивает данный показатель, поэтому с экономической точки зрения целесообразно использовать помол, характеризующийся 100 %-ным проходом через сито й =1,0 мм.

Следующим изучаемым фактором стала норма внесения ферментного препарата разжижающего действия Термамил БС. Дозировка препарата варьировалась в пределах 0,10,4 ед. АС / г условного крахмала сырья. С увеличением дозировки термостабильной а-амилазы закономерно возрастает концентрация сусла как контрольного, так и опытного образцов (табл. 4). Однако для переработки кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки с выделением зародыша, существенное повышение концентрации наблюдается при увеличении дозировки с 0,1 до 0,2 ед. АС / г условного крахмала сырья. Дальнейшее повышение нормы внесения препарата хоть и сопровождается увеличением концентрации сусла, но незначительным, а поэтому с экономической точки зрения принимаем за оптимальную дозировку 0,2 ед. АС / г условного крахмала сырья.

В качестве ферментного препарата, обладающего эндопротеиназной активностью, использована Нейтра-за L 0,8, оказывающая, как показано ранее [11], эффективное воздействие на снижение вязкости технологических сред из ячменя. Препарат задавали на стадии замеса помола из кукурузы либо из дифференцированной фракции с водой. Данные, представленные на рис. 2, показывают, что применение микробной протеазы при получении контрольного и опытного образцов сусла приводит к повышению концентрации растворимых сухих веществ в нем. При переработке исходного зерна кукурузы концентрация сусла возрастает с 14,3 до 15,0%, в случае использования дифференцированной фракции — с 16,1 до 17,0%. Оптимальная норма внесения препарата — 0,02 ПС/г сырья, так как дальнейшее увеличение практически не повышает концентрацию сусла.

На последнем этапе работы были получены и проанализированы по основным показателям качества два контрольных и четыре опытных образца сусла.

Контроль 1 (К1). Исходное зерно кукурузы влажностью 13,52% и крахмалистостью 61,39% подвергали дроблению на лабораторной измельчительной машине со 100%-ным проходом через сито й = 1,0 мм. Полученный помол смешивали с водой при гидромодуле 1:3,5. Далее вносили ферментный препарат Термамил БС в количестве 0,2 ед. АС / г условного крахмала сырья и проводили водно-тепловую обработку в соответствии с Регламентом. Разваренную массу далее охлаждали до температуры осахаривания. Вносили ферментный препарат Сан-Супер с нормой 7 ед. ГлС / г условного крахмала сырья и проводили осахаривание в течение 30 мин при г = 56...58 °С.

Таблица 5

Показатели сусла К1 К2 О1 О2 О3

Сухие вещества, % 14,3 15,2 16,1 17,0 17,3

Общие редуцирующие вещества, % 10,3 12,1 13,2 14,5 14,9

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Редуцирующие сахара, % 5,5 8,0 8,1 7,9 8,2

Аминный азот, % 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01

рН 6,3 6,1 6,1 5,9 6,0

Кислотность, град 0,30 0,23 0,25 0,25 0,25

Доброкачественность, % 72,0 79,6 81,9 85,3 86,1

0

0,01

0,02

0,05

34 ПИВО и НАПИТКИ

2014

Контроль 2 (К2). В качестве сырья использовали дифференцированную фракцию кукурузы, прошедшую стадию гидротермической обработки. Процесс получения сусла вели аналогично варианту контроль 1.

Опыт 1 (О1). В качестве сырья применяли дифференцированную фракцию кукурузы, прошедшую стадию биотехнологической предобработки. Процесс получения сусла соответствовал варианту контроль 1.

Опыт 3 (О2). Процесс получения сусла соответствовал О1, на стадии замеса вносили ферментный препарат Нейтразу дозировкой 0,02 ед. ПС / г сырья.

Опыт 4 (О3). Процесс получения сусла соответствовал О1, обработка замеса на 2-й паузе составляла 120 мин.

Данные, представленные в табл. 5, позволяют сделать следующие выводы:

• использование способов переработки кукурузы, включающих разделение сырья на дифференцированные фракции, приводит к повышеннию концентрации сусла с 14,2% до 16,2-17,3%;

• дополнительное применение микробной протеазы либо увеличение длительности стадии обработки сырья при г = 65.70 °С позволяет получить сусло с максимальной концентрацией (17,017,3%);

• переработка кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической

предобработки с последующим выделением зародыша, характеризуется увеличением массовой доли ОРВ и РВ в сусле соответственно с 10,3 до 13,2-14,9% и с 5,5 до 7,9-8,2%. Доброкачественность сусла лучших образцов характеризуется оптимальным значением и достигает 85,3 и 86,1 % против 72,0 и 79,6% в контрольных образцах.

В целом, исходя из показателей, характеризующих образцы сусла, и оценки экономических затрат на их получение, в качестве сырья рекомендовано использовать дифференцированную фракцию кукурузы, прошедшую стадию биотехнологической предобработки, процесс получения сусла вести в соответствии с режимами Регламента с дополнительным внесением ферментного препарата протеолитического действия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Эффективность развития предприятий пивоваренной отрасли / Л. А. Оганесянц [и др.] // Пиво и напитки. — 2012. — № 3. — С. 4-8.

2. Оганесянц, Л. А. Высокоэффективная технология безалкогольных квасов /Л. А. Оганесянц, К. В. Кобелев, А. В. Бойков // Пищевая промышленность. — 2013. — № 9. — С. 28-29.

3. Перспективные биотехнологические процессы для спиртовой промышленности/В. А. Поляков [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2002. — № 1. — С. 6-8.

ТЕХНОЛОГИЯ

4. Нормы технологического проектирования предприятий спиртовой промышленности. ВНТП 34-93. — М.: Гидропищепром-2, 1993.

5. Крикунова, Л. Н. Биотехнологический способ предобработки зерна кукурузы/Л. Н. Крикунова, Н. М. Кузьменкова // Хранение и переработка сельхозсы-рья. — 2013. — № 5. — С. 29-31.

6. Крикунова, Л. Н. Оптимизация технологических параметров биотехнологического способа предобработки кукурузы/Л. Н. Крикунова, Н. М. Кузьменкова // Хранение и переработка сель-хозсырья. — 2013. — № 12. — С. 7-11.

7. Кузьменкова, Н. М. Влияние метода предобработки кукурузы на состав белков дифференцированных фрак-ций/Н. М. Кузьменкова, Л. Н. Крику-нова // Хранение и переработка сель-хозсырья. — 2014. — № 1. — С. 5-7.

8. Андреев, Н. Р. Структура, химический состав и технологические признаки основных видов крахмалсодержащего сырья / Н. Р. Андреев, В. Г. Карпов // Хранение и переработка сельхозсы-рья. — 1999. — № 7. — С. 30-33.

9. Козьмина, Н. П. Биохимия зерна и продуктов его переработки/Н. П. Козьми-на. — М.: Колос, 1976. — 375 с.

10. Нечаев, А. П. Липиды зерна/А. П. Нечаев, Ж. Я. Сандлер. — М.: Колос, 1975.

11. Крикунова, Л. Н. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть I. Подбор мультиэнзимной композиции / Л. Н. Крикунова, Л. И. Сумина // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2009. — № 2. — С. 51-54. ®

Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы.

Часть 1. Получение сусла

Ключевые слова

дифференцированные фракции; кукуруза; сусло; технология этанола.

Реферат

В данной работе было рассмотрено влияние температурных режимов на получение разваренной массы из трех образцов сырья: исходного зерна кукурузы; прошедшего гидротермическую обработку (ГТО) и стадию биотехнологической предобработки.

Авторы

Кузьменкова Наталья Михайловна, аспирант

Московский государственный университет пищевых производств,

125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, nkuzmenkova@bk.ru,

Крикунова Людмила Николаевна, д-р техн. наук, доцент

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности,

119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, institute@vniinapitkov.ru

The Development of Complex Technology of Ethanol from Corn. Part 1. Obtaining Wort

Key words

differentiated fractions; corn; wort; ethanol technology.

Abstract

In this paper we analyzed the impact of temperature modes for a tenderized mass of 3 samples of raw materials: raw corn, past the hydrothermal treatment (GTP) and the preprocessing stage biotechnology.

Authors

Kuzmenkova Natalia Mihailovna, Post-graduate Student

Moscow State University of Food Production,

11 Volokolamskoe shosse, Moscow, 125080, Russia, nkuzmenkova@bk.ru,

Krikunova LudmilaNikolaevna, Doctor of Technical Science, Associate Professor

All-Russian Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industries,

7 Rossolimo St., Moscow, 119021, Russia, institute@vniinapitkov.ru

2014 ПИВО и НАПИТКИ 35

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.