CC BY
231
ВестникВГУИТ, №1, 2015's
УДК 663.5
Доцент Т.И. Романюк, профессор Г.В. Агафонов, Магистрант Н.Н. Фролова
(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра технологии бродильных и сахаристых производств. тел. (473) 255-37-32 E-mail: [email protected]
Associate Professor T.I. Romanyuk, professor G.V. Agafonov, master student N.N. Frolova
(Voronezh state university of engineering technologies) Department of technology of fermentation and sugar industries. phone (473) 255-37-32 E-mail: [email protected]
Разработка технологии переработки пшеницы на спирт и белковый продукт
Development of technology for wheat processing into alcohol and protein product
Реферат. В спиртовой отрасли актуально создание безотходной технологии переработки зерна на спирт. Целью исследований явилась разработка технологии переработки пшеницы на этанол и белковый продукт. Изучили процесс ферментативного гидролиза крахмала глюкоамилазой препарата Глюкогам. Подобрана оптимальная дозировка фермента -8 ед. ГлС/г крахмала, температура 55 оС. При исследовании гидролиза белка сопутствующей глюкоамилазе протеазой ферментного препарата Глюкогам установлено накопление аминного азота 4,5 мг/см3 за 7 ч биоконверсии. Проводили разделение полученной осахаренной массы с помощью центрифугирования на фильтрат и белковую массу. Центрифугирование проводили при частоте вращения 2500 об/мин в течение 8 мин. Белок высушивали до влажности 5 % при температуре не выше 35 оС, измельчали и исследовали свойства в сравнении с нативной клейковиной пшеницы. Полученный продукт обладал следующим характеристиками: растворимость 10 %, влагоудерживающая способность 1,53 г/г, жиросвязывающая способность 1,9 г/г. Исследовали процесс сбраживания осветленного сусла с концентрацией сухих веществ 14 %. Использовали дрожжи Saccharomyces cerevisiae расы XII и Saccharomyces cerevisiae расы 1MB Y-5007 из расчета 120 млн клеток на 1 см3 сусла. Подобрали оптимальный состав минеральных солей. Для дрожжей расы XII и 1MB Y-5007 необходима подкормка в виде диаммоний фосфата в дозировке 1,5 г/дм3. Выход спирта при использовании дрожжей расы IMB Y-5007 составил 60,7 дал/т условного крахмала, при внесении дрожжей расы XII - 60,6 дал/т условного крахмала.
Summary. In the alcohol industry it is important to create non-waste technology for grain processing into alcohol. The aim of research was the development of technology for wheat processing into ethanol and protein product. We studied the process of enzymatic hydrolysis of starch with glucoamylase of Glucogam preparation. We determined the optimal dosage of the enzyme - 8 units. GlA/g of starch, and the temperature of 55°C. In the study of protein hydrolysis by the concomitant to glucoamylase protease of enzyme Glucogam preparation accumulation of amino nitrogen of 4.5 mg / cm 3 in 7 hours of bioconversion takes place. Separation of the resulting saccharified mass was carried out by centrifugation into the filtrate and protein mass. Centrifugation was carried out at a rotational speed of 2500 rev / min for 8 minutes. Protein was dried to 5% moisture content at temperatures not exceeding 35°C, milled, and examined its properties in comparison with native wheat gluten. The resulting product had the following characteristics: the solubility of 10%, water-holding capacity of 1.53 g / g, and fat binding capacity of 1.9 g /g. We investigated the process of fermentation of clarified wort with the dry solids concentration of 14%. We used the yeast Saccharomyces cerevisiae of race XII and Saccharomyces cerevisiae of race IMB Y-5007 in the dose of 120 million cells per 1 cm3 of wort. Optimum composition of mineral salts was determined. For the yeasts of race XII and IMB Y-5007 fertilizing with di-ammonium phosphate in a dosage of 1.5 g / dm3 is necessary. The alcohol yield when using the yeasts of race IMB Y-5007 was 60.7 dal/ ton of conditional starch, when using yeasts of race XII it accounts 60,6 dal / ton of conditional starch.
Ключевые слова: пшеница, этанол, биоконверсия, безотходная переработка.
Keywords: wheat, ethanol, bioconversion, waste-free processing.
В пищевой промышленности актуально создание высокоэффективных технологий, которые обеспечивают новый уровень производства, характеризующийся глубокой переработкой сырья, что позволяет значительно повысить рентабельность существующих производств, в частности, спиртового. Это обусловливает необходимость развития принципиально новых подходов подготовки сырья, созда-
ния безотходных экологически безопасных технологий [1]. Реализация технологий комплексного использования исходного сырья и отходов производства, создание многопродуктовых схем с получением полезных целевых продуктов позволит обеспечить высокую прибыль производства, в том числе за счет снижения стоимости спирта.
© Романюк Т.И., Агафонов Г.В., Фролова Н.Н., 2015
ВестникВГУИТ, №1, 2015'=
Одно из перспективных направлений в данной области - создание технологии получения этилового спирта и белкового продукта при переработке злаков на спирт [2].
Учитывая количество перерабатываемого зернового сырья на этанол в спиртовом производстве России при утилизации белковой составляющей, можно дополнительно получить 370-600 тыс. т белка в год в виде белкового концентрата [3].
Целью проведенных исследований явилась разработка технологии переработки зерна пшеницы на этиловый спирт и белковый продукт.
На первом этапе изучали процесс ферментативного гидролиза крахмала пшеницы глюко-амилазой препарата Глюкогам (производитель Novozymes, Дания, активность 2000 ед/см3). Активность препарата определяли глюкозоксидаз-ным методом. Одним из основных факторов, оказывающих значительное влияние на процесс гидролиза крахмала, является дозировка ферментного препарата. При изучении влияния дозировки препарата Глюкогам на степень осахаривания крахмалистого сырья гидролиз осуществляли при оптимальных условиях действия [1] фермента (температура 58-60 оС, рН=5,0). Препарат вносили в количестве 6, 8 и 10 ед. ГлС/г крахмала. Количество образующихся редуцирующих сахаров определяли по методу Сомоджи-Нельсона. Результаты экспериментов представ-
Продолжительность осахаривания, ч лшлш* 6 ед. ГлС/г крахмала ^^^ 8 ед. ГлС/г крахмала ед. ГлС/г крахмала
Рисунок 1. Накопление сахаров в процессе гидролиза крахмала при различной дозировке глюкоами-лазы препарата Глюкогам
Анализ экспериментальных данных (рисунок 1) показал, что с увеличением концентрации глюкоамилазы возрастало накопление редуцирующих углеводов, что согласуется с традиционными представлениями о кинетике ферментативных реакций. Наиболее эффективно осаха-ривание проходило при внесении 10 ед. глюко-
амилазы, однако большой расход ферментного препарата может привести к удорожанию конечного продукта. В связи с этим оптимальной дозировкой считали 8 ед. ГлС/г крахмала. На графике видно, что за 7 ч биоконверсии крахмала количество накопленных сахаров составляло 150 мг/см3. Внесение же ферментного препарата в количестве 6 ед. ГлС/г крахмала позволяет получить гидролизат с меньшим содержанием редуцирующих веществ (130 мг/см3).
Поскольку для нормального протекания процесса брожения необходимо наличие аминного азота в сусле [4], а в состав ферментного препарата Глюкогам в качестве сопутствующего фермента входит протеаза, то в процессе осахаривания исследовали интенсивность протеолиза по уменьшению количества белка, определяемому биуретовым методом. (рисунок 2).
Продолжительность осахаривания, ч
имммм 10 ед. ГлС/мл ^^^ 8 ед. ГлС/мл
6 ед. ГлС/мл
Рисунок 2. Изменение количества белков в зависимости от дозировки ферментного препарата глюко-амилазы
Как видно из данных, представленных на рисунке 2, с увеличением дозировки глюко-амилазы увеличивалось накопление продуктов протеолиза, содержание аминного азота к 7 ч биоконверсии крахмала при внесении глюко-амилазы 8 ед. ГлС/г составило 4,5 мг/см3.
Затем изучали влияние температуры на процесс ферментативного гидролиза пшеничного крахмала. Осахаривание проводили при температурах 45, 50 и 55 оС при дозировке глюкоамилазы 8 ед/г крахмала. Результаты исследований представлены на рисунке 3.
На рисунке 3 видно, что кривые гидролиза имеют схожий вид. При проведении процесса осахаривания крахмала при температуре 45 0С количество накопленных редуцирующих сахаров составляло 130 мг/см3, при 50 оС -150 мг/см3 и при 55 оС - 160 мг/см3 соответственно. Следовательно, рациональной является температура 55 оС.
ВестнмкВВТУМТ, №1, 2015_
о
О)
т ^
с о
200
160
120
80
40
0
0
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Продолжительность осахаривания, ч
1 - 55 оС 2 - 50 оС 3 - 45 оС Рисунок 3. Влияние температуры на процесс ферментативного гидролиза крахмала
Далее исследовали процесс расщепления белка в процессе осахаривания сусла при различной температуре. Количество белка определяли биуретовым методом. Результаты представлены на рисунке 4.
10
8
в4
ли 2 о
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Продолжительность осахаривания, ч
1 - 450С 2 - 500С 3 - 550С
Рисунок 4. Влияние температуры на протеолиз белка пшеницы
Из полученных данных видно, что наиболее интенсивно процесс протекал первые 3 ч, что согласовывается с традиционными представлениями о кинетике ферментативных реакций - в первые часы биоконверсии расщепление субстрата идет интенсивнее, чем в последующие [5]. Количество белка за 4 ч гидролиза при 55 оС составляло 5 мг/см3 и являлось минимальным, что подтверждает данные об оптимальной температуре действия ферментного препарата.
Так как известно, что полный гидролиз крахмала завершается за 48-72 ч, то представляло интерес изучить динамику биоконверсии крахмала при подобранных условиях на протяжении 48 ч (рисунке 5).
На графике видно, что первые 24 ч биодеструкция пшеничного крахмала проходила
наиболее интенсивно, степень его гидролиза составила 78 %. В дальнейшем процесс проходил менее интенсивно, и к концу вторых суток степень осахаривания крахмала составляла 95 % от максимального.
100
а л а
г х
а р
л
о р
д
ь н е
с
е т О
80
60
40
20
12 18 24 30 36 42 48
Продолжительность осахаривания, ч
Рисунок 5. Динамика гидролиза крахмала в процессе осахаривания при 55 оС
В производстве спирта наличие аминного азота при сбраживании имеет большое значение [4]. С одной стороны, аминокислоты служат важнейшим источником азота для осуществления жизнедеятельности дрожжевых клеток, а с другой - являются исходным материалом для образования побочных продуктов при спиртовом брожении высших спиртов. Поэтому исследовали динамику распада белков в процессе оса-харивания зернового сырья (рисунок 6).
СО 10
5 6
ю
О)
I 4
ср ш
ч: 2
о
О
0
1
ч
—т
0
48
6 12 18 24 30 36 42 Продолжительность осахаривания, ч Рисунок 6. Динамика гидролиза белков при 55 оС
Как видно из данных, представленных на рисунке 6, процесс накопления аминного азота наиболее интенсивно протекал в течение первых 4 ч, количество белков составляло 5 мг/см3. В дальнейшем скорость распада белков сократилась, и за последующие 36 ч содержание белков в гидролизате снизилось до 3,5 мг/см3.
На следующем этапе работы проводили разделение полученной осахаренной массы с помощью центрифугирования на фильтрат и белковую массу. Центрифугирование проводили при частоте вращения 2500 об/мин в течение 8 мин.
0
0
6
6
0
8
ВестпикВВТУИТ, №1, 205_
Белковую массу высушивали в сушильном шкафу до влажности 5 % при температуре не выше 35 0С во избежание денатурации белков, измельчали на лабораторной мельнице и исследовали ее свойства в сравнении с натив-ной клейковиной пшеницы.
По результатам анализа построили график зависимости водоудерживающей способности от продолжительности набухания полученного белкового продукта и товарной сухой клейковины пшеницы (рисунок 7).
Время набухания, мин """■»Белковый продукт ^^"Сухая клейковина
Рисунок 7. Изменение влагосвязывающей способности клейковины
Как видно на рисунке 7, обе кривые имеют схожий вид, но полученный белковый продукт связывает влагу лучше, чем нативная пшеничная клейковина.
Были изучены физико-химические показатели полученного белкового продукта общепринятыми методами. Результаты представлены в таблице 1.
Т а б л и ц а 1
Физико-химические показатели клейковины
Наименование Пшеничная Полученный
показателя клейковина продукт
Растворимость, % 7,0 10,0
Влагоудерживающая способность, г/г 1,40 1,53
Жиросвязывающая способность, г/г 1,45 1,90
Как выяснилось, полученный белковый продукт не только не уступает по показателям товарной пшеничной клейковине, но и превосходит ее. По внешнему виду полученный продукт представлял собой порошок без комков и посторонних примесей светло-кремового цвета со слабым мучным запахом.
Далее проводили исследование процесса сбраживания полученного после центрифугирования осветленного сусла на этанол. В осветленном сусле доводили концентрацию сухих веществ до 14% и вносили спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae расы XII и Saccharomyces cerevisiae расы 1МВ Y-5007 из
расчета 120 млн клеток на 1 см3 сусла. Брожение вели в течение 48 ч при температуре 28 оС.
Поскольку гидролизат пшеничной муки несбалансирован по минеральному составу, необходимому для нормальной жизнедеятельности дрожжевой клетки, в опытные пробы вносили минеральные соли в различных дозировках, принятых в спиртовой отрасли.
В таблицах 2 и 3 представлены основные показатели процесса брожения сусла (методы исследований бражки стандартные, принятые в спиртовой отрасли), полученного из осветленного сусла с добавлением солей диаммоний фосфата в дозировках от 0,5 до 1,5 г/дм3 и сульфата аммония в количестве 0,5 г/дм3 при сбраживании различными расами дрожжей.
Т а б л и ц а 2
Показатели процесса брожения дрожжами Saccharomyces cerevisiae расы XII
Наименование показателя Без подкормки /г 5, ,0 О См К /г 0, т О См к /г 5, т О См к СЛ г—) ао о ^ ,-н" ^ о е к § Л -Ь 2 ■л ф о" & К
рН 4,6 4,8 5,2 5,15 5,05
Титруемая кислотность, град. 0,3 0,3 0,4 0,5 0,3
Действительная массовая доля сухих веществ, % 5,0 1,5 2,5 1,0 2,0
Видимый отброд, град. 0,0 +0,1 +0,2 +0,3 +0,2
Выход спирта, дал из 1т сухих веществ крахмала 39,3 53,6 57,1 60,6 53,6
Из полученных данных видно, что наиболее эффективно процесс брожения проходил при добавлении в качестве питания для дрожжей диаммоний фосфата в дозировке 1,5 г/дм3. В других случаях брожение проходило менее интенсивно, что было обусловлено недостаточным количеством минеральных солей.
Исследования показали, что при применении дрожжей Saccharomyces cerevisiae ШВ Y-5007 процесс брожения проходил не менее интенсивно. Однако полученные результаты свидетельствуют о неудовлетворительном протекании процесса брожения при небольших дозировках солей, что, вероятно, связано с несбалансированностью минерального состава гидролизата. С другой стороны, при дозировке диаммоний фосфата в количестве 1,5 г/дм3 накопилось максимальное количество спирта.
ВестпикВВТУИТ, №1, 205
Т а б л и ц а 3
Показатели процесса брожения дрожжами Saccharomyces cerevisiae расы 1MB Y-5007
Наименование показателя Без подкормки 15 5, ,0 О Й 0, О Й 5, О Й 15 5, ,0 и So 15 °„ 3 О ^ Й
рН 4,5 4,7 5,1 5,0 41,8
Титруемая кислотность, град. 0,35 0,4 0,5 0,5 0,4
Действительная массовая доля сухих веществ, % . 4,0 1,5 2,0 1,0 2,5
Видимый отброд, град. 0,0 +0,1 +0,2 +0,4 +0,2
Выход спирта, дал из 1т сухих веществ крахмала 42,9 53,6 57,1 60,7 53,6
Таким образом, для сбраживания полученного сусла пригодны обе культуры дрожжей.
Из представленных данных видно, что минеральное питание благоприятно влияет на выход спирта. Однако теоретический выход спирта из 1 т сухих веществ в пересчете на
ЛИТЕРАТУРА
1 Фурсова Т. И. Получение сиропов путем биоконверсии зерна кукурузы и их сбраживание: дис. канд. тех. наук: 05. 18. 07. Воронеж: ВГТА, 2010. 169 с.
2 Романюк Т.И., Чусова А.Е., Агафонов Г.В. Получение осветленного сусла из зерна ржи и его сбраживание на этанол // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2013. №4. С. 13-16.
3 Фурсова Т.И., Борисова И.В. Перспективы получения белка из зерна пшеницы // Успехи современного естествознания. 2011. №7. С. 228а.
4 Фурсова Т.И., Корнеева О.С., Востри-ков С.В. Исследование процесса брожения гидролизатов крахмала различного углеводного состава. Часть 2. // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2008. №4. С. 13-16.
5 Фурсова Т.И., Корнеева О.С., Востри-ков С.В. Использование ферментных препаратов для получения гидролизатов крахмала различного углеводного состава. Часть 1 // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2008. №3. С. 18-21.
6 Пат. 2006/119386 A2 US, IPC7 C12P 7/06 Способы производства этанола из крах-малсодержащего сырья и фракционирование / Скуг М., № 2006017041; Заявл. 02.05.2006; Опубл. 09.11.2006.
условный крахмал составляет 65 дал. Из подобранных вариантов питательных солей наиболее целесообразно использовать в качестве подкормки диаммонийфосфат в дозировке 1,5 г/дм3 сусла, в этом случае потери минимальны и составляют 6,5 %.
REFERENCES
1 Fursova T.I. Poluchnie siropov putem bi-okonversii zerna kukuruzy i ikh sbrazhivanie. Diss. kand. tekh. nauk [Getting syrups by byconversion of corn and their digestion. Diss. cand. tech. sci.]. Voronezh, 2009. 169 p. (In Russ.).
2 Romanyuk T.I., Chusova A.I., Agafonov G.V. Obtaining a clarified wort from grain rye and its fermentation to ethanol. Proizvodstvo spirta i likero-vodochnykh izdelii. [Production of alcohol and alcoholic beverages], 2013, no. 4, pp. 13-16. (In Russ.).
3 Fursova T. I., Borisova, I. V. Prospects of obtaining protein from wheat. Uspekhi sovremen-nogo estestvoznaniya [Successes of modern natural science], 2011, no. 7, pp. 228a. (In Russ.).
4 Fursova T.I., Korneeva, O.C., Vostrikov S.V. Study of the process of fermentation of hydroly-sates of starch of different carbohydrate composition. Part 2. Proizvodstvo spirta i likerovodo-chnykh izdelii. [Production of alcohol and alcoholic beverages], 2008, no. 4, pp. 13-16. (In Russ.).
5 Fursova T.I., Korneeva O.S., Vostrikov S.V. Use of enzyme preparations to obtain hydrolysates of starch of different carbohydrate composition. Part 1. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii. [Production of alcohol and alcoholic beverages], 2008, no. 3, pp. 18-21. (In Russ.).
6 Skug M. Sposoby proizvodstva etanola iz krakhmalosoderzhashchego syr'ya i fraktsion-irovanie [Methods and systems for producing ethanol using raw starch and fractionation], Patent RF, 2006. (In Russ.).
