WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Исследование фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении осветленного сусла

На правах рукописи

Чечеткин Денис Владимирович

Исследование фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении

осветленного сусла

Специальность 03.00.04 биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена на кафедрах «Биохимия и зерноведение» и «Процессы ферментации и промышленного биокатализа» ГОУ ВПО «Московский Государственный Университет Пищевых Производств»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Карпиленко

Геннадий Петрович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Новиков Николай Николаевич

кандидат технических наук Леденев Владимир Павлович

Ведущая организация: Институт биохимии имени А.Н. Баха РАН

Защита состоится «___» _________ 2006 г. в ____ часов, ауд ____, корпус___ на заседании диссертационного Совета К 212.148.01 при ГОУ ВПО «Московский Государственный Университет Пищевых Производств», 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП Министерства образования РФ

Автореферат разослан «___»_________2006 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета,

к.б.н., доцент Н.А. Ильина

1.Общая характеристика работы

    1. Актуальность темы.

Среди разнообразия нетрадиционных видов растений одним их перспективных для хозяйственного использования является топинамбур. Возрождение интереса к данной культуре связано с появлением новых аспектов его использования, в том числе в качестве основного сырья спиртового производства. Он характеризуется полноценным биохимическим составом с преобладанием в клубнях углеводов, в первую очередь фруктозанов, имеет достаточно азотистых веществ, микро- и макроэлементов. Клубни богаты витаминами, в частности биотином, обладают активным комплексом ферментов, гидролизующих инулин.

С позиции спиртового производства трудности в переработке данного вида сырья представляют собой пектиновые вещества топинамбура. Их деструкция в процессе классического жесткого термического разваривания сырья может служить причиной накопления в бражке сверхнормативного количества метанола.

Поэтому, специалистами спиртовой отрасли предлагаются альтернативные низкотемпературные схемы переработки топинамбура. Так, разработана технология, основанная на процессах самоосахаривания затора из топинамбура под действием собственных инулиназ сырья, активированных ионами Ca+2. (научный руководитель проекта – к.т.н. Л.Н. Крикунова)[1]

.

Несмотря на очевидные выгоды, в первую очередь экономического характера, позволяющие отнести данную технологию к энерго- и ресурсосберегающей, по мнению авторов, она могла быть усовершенствована, в частности в направлении дальнейшего повышения качества этанола. Причем, как показали теоретические предпосылки существуют, и пути дополнительного повышения рентабельности производства при использовании клубней топинамбура на спиртовых заводах. Одним из них является дифференцированный способ переработки данного нетрадиционного сырья, позволяющий вырабатывать кроме этанола другие конечные продукты, к примеру, пектиновые вещества (пектинопродукты).

Для комплексного использования клубней необходимо выделить из сырья жидкую фазу (сусло), направив ее в дальнейшем на сбраживание, а твердый остаток (жмых) использовать для производства пектинопродуктов.

При этом, эффективность процесса разделения, заключающаяся в максимальном переводе фруктозанов сырья в сусло, их наибольшей степени деструкции и минимальном разрушении протопектина сырья, будет определяться как исходным биохимическим составом топинамбура, в том числе активностью и характером действия ферментов, участвующих в гидролизе отдельных групп углеводов сырья, так и способами и режимными параметрами стадий получения осветленного сусла.

А поэтому, комплексные исследования, посвященные изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и происходящих в нем на стадии получения осветленного сусла изменений, несомненно, являются актуальными. Результаты исследований позволят прогнозировать процесс и выбрать наиболее эффективные пути комплексного использования нетрадиционного для спиртовой отрасли инулинсодержащего сырья.

1.2. Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являются исследования, посвященные изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура, изменений в нем в процессе обработки сырья и разделения его на фракции с получением осветленного осахаренного сусла оптимального для спиртового производства состава.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

  • исследовать содержание фруктозанов и пектиновых веществ в клубнях топинамбура и их распределение по анатомическим частям сырья;
  • получить образцы пектина из анатомических частей топинамбура и изучить свойства гидрато- и протопектина клубней;
  • охарактеризовать ферментный комплекс топинамбура, определить активность и свойства инулиназ и пектинэстеразы сырья;
  • исследовать процессы перевода и деструкции фруктозанов и пектиновых веществ при получении сока из топинамбура;
  • провести сравнительную характеристику способов получения осветленного сусла по 2-х и 1-но стадийным схемам переработки топинамбура;
  • установить влияние внесения в замес ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия на процессы перехода фруктозанов в сусло и деструкцию пектиновых веществ сырья;
  • провести оптимизацию технологических режимов получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура.

1.3. Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования по изучению фруктано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении осветленного сусла, позволившие научно прогнозировать оптимальные варианты и режимные параметры разделения сырья на жидкую и твердую фракции.

Получены новые научные данные по распределению фруктозанов, гидрато- и протопектина сырья по анатомическим частям клубней, на основании которых предложена схема выделения образцов пектина из топинамбура.

Впервые установлено, что нерастворимый протопектин топинамбура относится к высокоэтерифицированному, имеет в зависимости от подготовки исходного сырья степень метоксилирования 60,4-63,6 %; массовую долю полигалактуроновой кислоты 31,0-67,1 % на С.В.

Определена активность свободных и связанных форм инулиназ топинамбура. Показано, что большей активностью обладают связанные формы фермента. Выявлены оптимальные условия действия инулиназ: t=45-50 C, pH 6,0. Показано, что внесение ионов Ca+2 в затор повышает активность инулиназ на 20-30 %.

Впервые изучена пектинэстераза топинамбура. Установлено, что ее активность составляет 0,22-0,35 ед. ПЭ/г топинамбура, что соответствует 36,6-41,9 ед ПЭ/г пектина сырья. Оптимальными условиями действия пектинэстеразы являются: t=40-45 C, pH 6,0-7,0. Подкисление затора до pH 4,5-5,0 снижает активность фермента на 25-50 %.

Исследован процесс деструкции и перевода фруктозанов и пектиновых веществ при различных вариантах получения осветленного сусла, на основании которого доказано преимущество переработки сырья по 1-но стадийной схеме.

Впервые проведены работы по получению осветленного сусла из топинамбура с использованием ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия. Установлено, что внесение Нейтразы, Целловиридина Г20х и разработанного на их основе МЭК, влияет на процесс разделения сырья на жидкую и твердую фазы.

1.4. Практическая значимость работы. Разработаны способы и оптимизированы технологические режимы получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура, позволяющие перевести максимальное количество фруктозанов сырья в жидкую фазу, провести их глубокую деструкцию и сконцентрировать вредные для производства этанола пектиновые вещества в жмыхе.

Выделение жидкой фазы в виде осветленного осахаренного сусла и его последующее сбраживание дает возможность перевести процесс переработки такого нетрадиционного перспективного и вместе с тем проблемного для спиртовой отрасли из-за повышенного содержания пектиновых веществ сырья, как топинамбур с традиционных технологий на комплексные. Внедрение последних при использовании в качестве сырья клубней топинамбура ведет к одновременному повышению и качественных характеристик этанола, и рентабельности предприятий в целом за счет возможности выработки второго ценного продукта, каким является пектин.

1.5. Апробация работы. Материалы работы были доложены на конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2005); V ежегодной международной молодежной конференции ИБхФ РАН-ВУЗы «Биохимическая физика» (Москва, 2005) и международной научно-практической конференции «Рациональное использование биоресурсов в АПК» (Владикавказ, 2006).

1.6. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

1.7. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и библиографии.

Работа изложена на 127 страницах основного текста, содержит 25 таблиц и 21 рисунок. Список литературы включает 161 источник.

2. Обзор литературы

В обзоре литературе обобщены литературные данные о биохимическом составе клубней топинамбура, в том числе дана характеристика углеводного комплекса сырья; приведены сведения о способах гидролиза фруктозанов топинамбура; рассмотрены вопросы ферментативного гидролиза пектиновых веществ растительного сырья.

3. Экспериментальная часть

3.1. Материалы и методы исследования.

В работе использовали клубни топинамбура сорта Скороспелка осеннего сбора урожая и ферментные препараты цитолитического и протеолитического действия: Целловиридин Г20х, Целлюкласт, Нейтраза, Алкалаза.

Массовую долю инулина, целлюлозы и гемицеллюлоз в сырье определяли по методам, описанным в книге А.И. Ермакова; фракционный состав углеводного комплекса клубней топинамбура исследовали в соответствии со схемой, приведенной в работе М.М. Александровой.

Количественное определение пектиновых веществ сырья осуществляли кальций-пектатным методом, исследование качественных характеристик пектина вели с использованием титрометрических методов.

Инулиназную активность в топинамбуре определяли методом, описанном в работе зарубежных исследователей (H. Klaushofer, B.Abraham, G.Zeichtfried), пектинэстеразную активность - химическим ацидиметрическим методом.

С использованием данных методов также осуществляли анализ продуктов (затора, сока, сусла, жмыха), получаемых на отдельных стадиях переработки топинамбура.

Для оптимизации технологических параметров процесса получения осветленного осахаренного сусла использовали метод латинских прямоугольников.

3.2. Исследование углеводного комплекса топинамбура и его анатомических частей

Выход и качество этилового спирта при переработке определенного вида сырья зависят в значительной степени от его химического состава, определяющими показателями которого являются углеводы.

Установлено, что основные углеводы топинамбура - фруктозосодержащие соединения, массовая доля которых варьируется в пределах 73,0-86,0 %. На втором месте в количественном отношении стоят целлюлоза и пектиновые вещества. Их суммарная массовая доля составляет 4,38-6,10 %. Содержание гемицеллюлоз не превышает 1,5 %.

Далее в работе было проанализировано содержание инулина и пектиновых веществ по анатомическим частям топинамбура, выделение которых проводилось путем последовательного снятия с клубня тканей. Было принято, что 10 % снятия составляют покровные слои, следующие 10% - слои, прилегающие к покровным, и оставшиеся – внутренние.

Выявлено (табл.1), что в последних сосредоточена основная масса фруктозанов, на их долю приходится примерно 80 % от общего содержания инулина в топинамбуре. Пектиновые вещества топинамбура, наоборот концентрируются в периферийных слоях клубней. Их содержание в покровных частях топинамбура составляет 60-75 % от общего количества в сырье.

Таблица 1

Распределение инулина и пектиновых веществ по анатомическим частям топинамбура.

Показатели Анатомические части топинамбура
Покровный слой Верхний слой Внутренний слой
Массовая доля инулина во фракции, % на С.В. 19,7-21,2 78,8-83,7 79,2-94,3
Содержание инулина во фракции, % от общего содержания в топинамбуре 3,4-3,7 10,2-11,5 79,1-82,1
Массовая доля пектиновых веществ во фракции, % на С.В. 10,95-18,77 0,73-1,47 0,80-0,97
Содержание пектиновых веществ во фракции, % от общего содержания в топинамбуре 61,4-74,7 3,2-4,5 22,2-22,7

При изучении фракционного состава фруктозанов сырья установлено, что содержание спирторастворимых сахаров в топинамбуре осеннего сбора урожая незначительно, массовая доля среднемолекулярных фракций фруктозанов составляет 29,1-33,9% на С.В. В сырье преобладают высокомолекулярные фракции инулина, плохую растворимость которых следует учитывать при получении осветленного сусла.

Анализ образцов топинамбура, приведенный в табл. 2, показывает, что все они характеризуются преобладанием среди пектиновых веществ протопектина (ПП). Его массовая доля составляет 1,85-3,28 %, в то время как массовая доля растворимого пектина (РП) варьируется в пределах 0,25-0,63 %.

Таблица 2

Содержание пектиновых веществ в топинамбуре.

Показатели Топинамбур
Образец I Образец II Образец III Образец IV
Массовая доля РП, % на С.В. 0,63 0,40 0,25 0,37
Массовая доля ПП, % на С.В. 2,32 2,03 1,85 3,28
ПП/ ПП + РП, % 78,6 83,5 88,1 89,9

Этот факт с позиции характеристики биохимического состава сырья можно рассматривать как позитивный.

3.2.1. Изучение свойств пектиновых веществ топинамбура

Пектиновые вещества сырья, могут служить причиной образования метанола. Последний образуется в результате деметоксилирования растворимого пектина. Протопектин сырья также может служить потенциальным источником накопления метанола в бражке, так как возможен его переход в раствор под влиянием термообработки, кислотного или ферментативного гидролиза. Скорость и глубина вышеуказанных процессов зависят как от технологических параметров обработки сырья, так и от состояния пектинового комплекса топинамбура, содержания и свойств пектиновых веществ в нем, активности собственных гидролизующих ферментов сырья. А поэтому на следующем этапе работы были изучены свойства гидрато- и протопектина топинамбура.

Для получения образцов сухого пектина была использована схема, включающая следующие стадии: выделение пектина, концентрирование растворов гидрато- или протопектинов, осаждение пектина этиловым спиртом, выделение осадка и его очистка от балластных веществ, сушка очищенного пектина. Данная схема и параметры процесса по отдельным этапам были выбраны на основании получения пектина из традиционных видов сырья.

Для устранения возможного влияния фруктозанов сырья на физико-химические свойства образцов сухого пектина в ряде случаев была проведена его предварительная очистка.

Всего были получены 8 образцов сухого пектина. Для выработки одних сырьем служили пробы из внутренних слоев топинамбура, других – соответственно покровные слои топинамбура.

Четыре образца пектина были получены из исходного сырья (без очистки) и четыре из сырья, подвергнутого обработке с целью предварительного отделения фруктозанов топинамбура (после очистки).

Анализ полученных образцов показал, что исходный состав сырья оказывает сильное влияние на содержание в них полигалактуроновой кислоты, массовая доля которой увеличивается для вариантов, прошедших предварительную очистку измельченной смеси. Так, при получении их из внутренних слоев топинамбура оно возрастает с 31,0-33,8% до 64,2-67,1% на С.В. (табл.3). Вероятнее всего выделение пектина и его последующее осаждение этанолом из нетрадиционного сырья, содержащего большое количество балластных соединений, в первую очередь растворимых фруктозанов, сопровождается переводом в осадок значительных количеств сопутствующих веществ, которые не в полной мере удаляются при отмывке образца по принятой схеме.

Таблица 3

Анализ образцов сухого пектина, полученных из покровных слоев топинамбура.

Показатели Образец I Образец II
без очистки после очистки без очистки после очистки
Массовая доля свободных карбоксильных групп, % на С.В. 3,03 6,16 2,75 6,04
Массовая доля ацетильных групп, % на С.В. 0,05 0,09 0,03 0,15
Массовая доля метоксилированных карбоксильных групп, % на С.В. 5,17 9,41 4,80 10,15
Массовая доля полигалактуроновой кислоты, % на С.В. 33,8 64,2 31,0 67,1
Степень метоксилирования, % 63,0 60,4 63,6 62,7

Вместе с тем, установлено, что степень метоксилирования сухого пектина практически не зависит от состава сырья и варьируется для образцов, полученных из внутренних слоев топинамбура в пределах 65,7-71,6%, выделенных из покровных тканей в интервале 60,4-63,6%. То есть гидрато- и протопектин топинамбура относится к Н-пектину (высокоэтерифицированному).

3.3. Характеристика ферментного комплекса топинамбура

Анализ литературных источников показал, что наиболее перспективным для спиртовой отрасли является ферментативный путь гидролиза инулина топинамбура, в первую очередь за счет процесса самоосахаривания фруктозанов клубней собственными инулиназами сырья.

Для выработки перспективных направлений исследований в области создания комплексных технологий переработки клубней необходимы дополнительные данные по характеристике ферментов топинамбура, участвующих в гидролизе фруктозано-пектиназного комплекса сырья.

3.3.1. Инулиназа активность, свойства

Результаты по определению инулиназной активности клубней топинамбура, приведенные в табл. 4 показали, что суммарная гидролазная активность проанализированных образцов варьируется в пределах 0,63-0,97 ед ИЕ/г топинамбура. Также установлено, что среди инулиназ преобладают связанные формы. Их активность составляет 60-75% от общей гидролазной активности. Пересчет инулиназной активности на 1 г инулина сырья позволил точнее оценить ее с позиции спиртового производства.

Таблица 4

Инулиназная активность клубней топинамбура

Показатели Топинамбур
Образец I Образец II Образец III Образец IV
Суммарная гидролазная активность: ИЕ, ед/г топинамбура ИЕ ед/г инулина сырья 0,85 4,3 0,97 4,5 0,76 4,2 0,63 3,3
Активность свободных форм инулиназ: ИЕ, ед/г топинамбура ИЕ ед/г инулина сырья 0,29 1,5 0,40 1,9 0,18 1,0 0,13 0,7

Далее в работе были определены оптимальные условия действия инулиназ топинамбура: рН и температура. Эксперименты проводили в двух вариантах. Разница заключалась в том, что в одном из них при получении ферментного раствора в измельченный топинамбур вносили ионы Са2+. Установлено, что инулиназы топинамбура проявляют максимальную активность в нейтральной среде при pH 6,0. В слабокислой среде при pH 5,0-5,5 уровень ИЕ составляет 75-80% от максимальной активности. Дальнейшее снижение кислотности, а также перевод процесса гидролиза в слабощелочную зону приводит к резкому уменьшению активности инулиназ. Внесение ионов Са2+ активирует инулиназы клубней. Так, при pH 6,0 активность ферментов возрастает более чем на 30%.

Ферменты, гидролизующие инулин, проявляют максимальную активность в интервале температур 45-50 C. Внесение ионов Са2+ не только повышает активность инулиназ топинамбура в среднем на 20-30 %, но и расширяет температурный диапазон их активного действия с 40 C до 60 C, что весьма позитивно как с позиции получения осветленного сусла, так и его дальнейшего сбраживания.

В целом, путем подбора оптимальных условий действия общая гидролитическая активность топинамбура может быть повышена до 4,5-6,0 ед ИЕ/г инулина сырья.

3.3.2. Пектинэстераза активность, свойства.

В литературе практически отсутствуют сведения по характеристике пектолитических ферментов клубней топинамбура. Для спиртовой отрасли значительный интерес представляет пектинэстераза сырья, её активность, оптимальные условия действия. Особенно с учетом того, что пектин и протопектин топинамбура, как установлено в работе, относятся к высокоэтерифицированным.

Результаты исследований показали (табл.5), что пектинэстеразная активность, рассчитанная на 1г исходного топинамбура, варьирует в пределах 0,22 – 0,35 ед ПЭ/г, что на первый взгляд характеризует ее как низкую. Однако, при расчете пектинэстеразной активности на 1г пектина сырья цифры значительно возрастают (в среднем до 40 ед ПЭ/г пектина сырья).

Таблица 5

Пектинэстеразная активность клубней топинамбура

Пектинэстеразная активность Топинамбур
Образец I Образец II Образец III Образец IV
ПЕ, ед/г топинамбура ПЕ ед/г пектина сырья 0,27 36,6 0,24 39,5 0,22 41,9 0,35 38,4

Также выявлено (рис.1), что пектинэстераза топинамбура проявляет максимальную активность в нейтральной среде при рН 6,0 – 7,0. Путем подкисления сусла до рН 4,5 – 5,0 можно снизить активность пектинэстеразы на 25-50%. Такой технологический прием, как известно, приводит также к улучшению микробиологической чистоты сбраживаемого сусла.

Установлено, что фермент проявляет максимальную активность при температурах 40-45°С. Однако, и при 30°С, т.е. температуре сбраживания, пектинэстераза топинамбура активна. Внесение в замес ионов Са2+ повышает ПЭ в среднем на 10-15%.

Исследование термоустойчивости фермента показало, что он лишь частично инактивируется после прогрева раствора при 50-60 °С в течение 1-6 часов.

3.4. Исследование процесса получения осветленного осахаренного сусла.

Для комплексного использования клубней с целенаправленным получением одновременно нескольких конечных продуктов необходимо выделить из сырья жидкую фазу, направив ее в дальнейшем на сбраживание.

Существуют различные варианты получения жидкого инулинсодержащего продукта из топинамбура, в основе которых лежат методы прессования или экстрагирования. В работе предлагаются следующие (рис.2):

– выделение из измельченного топинамбура сока путем прессования (Вариант I);

– выделение из измельченного топинамбура сока путем прессования и дополнительный перевод фруктозанов в жидкую фазу путем обработки мезги (Вариант II);

– осахаривание смеси из измельченного топинамбура с водой с последующим прессованием пульпы и выделением жидкой фазы (Вариант III).

В качестве критериев оценки эффективности процесса разделения в работе были выбраны следующие:

  • максимальный выход жидкой фазы из единицы перерабатываемого

топинамбура и перевод в нее максимального количества инулина;

- минимальный перевод в жидкую фазу пектиновых веществ сырья;

- перевод высоко- и среднемолекулярных фракций инулина в сбраживаемые углеводы, т.е. осуществление процесса самоосахаривания фруктозанов под действием собственной инулиназы сырья.

3.4.1. Исследование процесса перевода и деструкции фруктозанов и пектиновых веществ при получении сока из топинамбура.

Цель данного раздела работы заключалась в получении сведений по первому направлению исследований, а именно, по выделению сока непосредственно из измельченного топинамбура. На основании литературных данных по влиянию на сокоотдачу из растительного сырья различных технологических приемов были выбраны следующие варьируемые факторы:

  • степень измельчения топинамбура;
  • продолжительность гомогенизации;
  • длительность замораживания;
  • процент внесения материала, повышающего сокоотдачу.

В качестве анализируемых параметров использовали:

  • выход сока из единицы сырья;

- содержание в соке: инулина, редуцирующих сахаров, растворимого пектина.

После проведения серии экспериментов установлено, что переработка топинамбура по Варианту I с выделением только сока экономически нецелесообразна, так как около 50 – 60 % потенциально сбраживаемых углеводов остается в мезге, что значительно снижает выход этанола из единицы перерабатываемого сырья.

3.4.2. Исследование процесса гидролиза фруктозанов топинамбура под действием собсвенных гидролаз сырья

Исследование процесса гидролиза измельченной массы из топинамбура проводили путем определения отдельных фракций углеводов сырья:

Фракция (ФI) – свободные сахара;

Фракция II (ФII) – олигосахариды и низкомолекулярные фракции инулина;

Фракция III (ФIII) – высокомолекулярные фракции инулина.

В процессе гидролиза варьировали температуру и pH среды. Установлено, что температура на стадии выдержки смеси, состоящей из измельченного топинамбура и воды, оказывает существенное влияние на углеводный состав сырья (рис.3).

В целом, в результате гидролиза массы из топинамбура в течение 3-х часов собственными гидролазами сырья в оптимальных условиях (pH 6,0; t=50-60 °C) в жидкую фазу можно перевести не более 60% фруктозанов от исходного в сырье. Причем, примерно треть из них будет представлена олигосахаридами и низкомолекулярными фракциями инулина. То есть, выявленные ранее режимы переработки топинамбура в этанол требовали корректировки при переводе процесса на многопродуктовую схему, предусматривающую получение и сбраживание осветленного осахаренного сусла.

мойка и измельчение

прессование прессование смешивание с водой

Са+2

смешивание с водой

самоосахаривание

на сбраживание Са+2

самоосахаривание

прессование

прессование

на сбраживание

на сбраживание

Вариант I Вариант II Вариант III

Рис.2 Общая схема исследований

3.4.3. Получение осветленного осахаренного сусла по 2-х и 1-но стадийным схемам переработки топинамбура.

В соответствии со схемой (рис.2) процесс получения осветленного осахаренного сусла мог быть осуществлен по трем вариантам. Исследование Варианта I показало его бесперспективность. Поэтому далее изучались два оставшихся варианта.

При изучении эффективности процесса получения осветленного сусла из топинамбура по 2-х стадийной схеме переработки сырья исследовали, во-первых, изменения, происходящие во фракционном составе полисахаридов мезги под действием собственных, оставшихся в ней, гидролаз сырья, во-вторых, изучили процесс самоосахаривания выделенного сока, так как его анализ показал, что он непосредственно не может быть использован для сбраживания ввиду преобладания в составе углеводов олигосахаридов и низкомолекулярных фракций инулина (ФII). Известно, что они плохо сбраживаются спиртовыми дрожжами, имеющими мало активной инулиназы.

Анализ фракционного состава углеводного комплекса исходного топинамбура и мезги, оставшейся после выделения сока из измельченных клубней, показывает, что в твердом остатке концентрируются высокомолекулярные фракции инулина. Массовая доля фракции ФIII составляет в мезге 62,1% против 38,6% в топинамбуре.

Установлено, что гидролиз полисахаридов мезги в процессе самоосахаривания массы гидролазами сырья позволяет снизить содержание нерастворимых фруктозанов до 35-40% на С.В.

Отдельные эксперименты были посвящены изучению процессов, происходящих в соке, при его выдержке в течение 2-12 часов при температурах нагрева 50°С и 60°С. Установлено, что данная операция позволяет увеличить массовую долю свободных сахаров в соке, причем, процесс самоосахаривания идет интенсивнее при температуре 50 °С по сравнению с обработкой при 60 °С. Содержание РВ в пробах достигает 5,5-6,0%, что составляет примерно одну треть от общего количества фруктозанов в соке. То есть, под действием собственных инулиназ топинамбура, перешедших в сок, не удается достичь полного осахаривания углеводов фракции ФII.

На следующем этапе работы была изучена перспективность получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура на основе 1-но ступенчатой схемы переработки сырья. Эффективность данного способа оценивали также как и в предыдущем варианте, исходя из процента перевода высокомолекулярных фруктозанов в раствор и накоплении в нем свободных сахаров. Установлено (рис. 4), что основные изменения во фракционном составе углеводного комплекса топинамбура происходят в течение первых 4-х часов гидролиза. Содержание свободных сахаров возрастает с исходных 2% до 38%, идет резкое снижение массовой доли средне- и высокомолекулярных фракций. Увеличение продолжительности процесса гидролиза до 6-ти часов позволяет повысить содержание сахаров лишь на 4-5%. Причем, их новообразование идет за счет гидролиза фракции ФII.

В целом, проведя сравнительный анализ показателей качества осахаренного осветленного сусла из топинамбура, выработанного по 2-х и 1-но ступенчатым схемам переработки сырья, установлено преимущество последней.

Вместе с тем, даже при 1-но ступенчатой схеме получения осветленного осахаренного сусла в него переходит только часть фруктозанов исходного сырья (63,6%). Остальные потенциально сбраживаемые углеводы топинамбура остаются в жмыхе. Причем, как показывает анализ их фракционного состава, в твердом остатке преобладает фракция Ф III, представленная нерастворимыми высокомолекулярными фруктозанами. Вероятно, данная часть углеводов находится в клубнях в связанном состоянии, что препятствует их ферментативной деструкции.

3.5. Применение препаратов протеолитического и цитолитического действия в технологии этанола из топинамбура.

3.5.1. Влияние обработки затора целлюлазами и протеазами на переход фруктозанов в сусло.

Влияние дополнительного внесения ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия на процесс разделения осахаренной массы из топинамбура контролировали по выходу сусла из 100 г топинамбура и содержанию в нем фруктозанов (суммы ФI и ФII). Установлено (табл.6), что лучшими являются опыты с использованием ферментных препаратов Целловиридин Г20х и Нейтраза.

Таблица 6

Влияние обработки затора ферментными препаратами протеолитического и цитолитического действия на переход фруктозанов в сусло

Название ферментного препарата Объем сусла из 100г топинамбура, мл Массовая доля фруктозанов в сусле, % Содержание фруктозанов в сусле, % от исходного в сырье
Контроль 62 16,5 60,7
Целловиридин Г20х 68 19,8 79,9
Целлюкласт 65 16,5 63,6
Нейтраза 70 18,6 77,3
Алкалаза 67 19,1 75,9

Также установлено, что оптимальной дозировкой ферментного препарата протеолитического действия следует считать 4ед ПС, а цитолитического действия – 2ед ОЦС на 1 г сухого вещества сырья.

На следующем этапе из лучших ферментных препаратов был составлен МЭК и установлено оптимальное соотношение в нем Нейтразы и Целловиридина Г20х. Показано, что при соотношении препаратов 3:1 в сусле повышается массовая доля фруктозанов (20,3% против 19,5% для образца, полученного с применением только Нейтразы).

Также установлено, что дополнительный ввод в затор активных протеаз и цитаз приводит к существенному снижению массовой доли фракции ФIII. Вероятно высокомолекулярные фруктозаны высвобождаются из связанного состояния и становятся доступными для гидролиза инулиназами сырья. Причем, основными продуктами ферментолиза являются олигосахариды и низкомолекулярные фракции инулина (ФII).

В целом, применение ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия при самоосахаривании массы из топинамбура в течении 4-6 часов при температуре 60 °С позволяет перевести в растворимое состояние до 95-97% фруктозанов от их общего содержания в исходном сырье. Именно с этим фактом связано существенное (с 60,7 % для контроля до 85,5% для опытных образцов) повышение доли фруктозанов в сусле, полученном при разделении осахаренного затора на жидкую и твердую фазы.

3.5.2. Исследование изменений в пектолитическом комплексе сырья под действием целлюлаз и протеаз.

Установив эффективность применения препаратов протеолитического и цитолитического действия на процесс перевода фруктозанов топинамбура в растворимое состояние, далее необходимо было выявить влияет ли их внесение на декструкцию протопектина сырья. Для этого предварительно были получены и проанализированы на содержание растворимого пектина четыре образца сусла.

Установлено (табл.7), что использование препаратов протеолитического и цитолитического действия повышает массовую долю пектина в сусле с 0,11 % для контрольного варианта до 0,15-0,66% для опытных. Максимальная степень гидролиза протопектина топинамбура, выявлена для Образца III, где на стадию замеса сырья с водой вносили ферментный препарат цитолитического действия Целловиридин Г 20х.

Лучшим из опытных образцов сусла по содержанию в нем пектина является Образец II, полученный с применением ферментного препарата протеолитического действия Нейтраза.

Вероятно, в отличии от ферментов цитолитического действия, принимающих участие и в высвобождении высокомолекулярных фруктозанов топинамбура из их связанного состояния, и в деструкции протопектина клубней, ферменты протеолитического действия затрагивают преимущественно инулиназный комплекс сырья.

Таблица 7

Влияние обработки затора ферментными препаратами протеолитического и цитолитического действия на переход пектина в сусло.

Показатели Варианты получения сусла
Образец I (Контроль) Образец II (Нейтраза) Образец III (Целловиридин) Образец IV (МЭК)
Объем сусла из 100 г топинамбура, мл 62 72 68 71
Массовая доля в сусле пектина, % 0,11 0,15 0,66 0,29
Переход ПП в сусло, % от исходного в сырье 1,4 7,9 77,7 35,1

Вместе с тем, учитывая, что сусло, полученное с применением МЭК при соотношении в нем Нейтразы и Целловиридина Г20х – 3:1, характеризовалось максимальным переводом фруктозанов сырья в жидкую фазу, были проведены дополнительные исследования по снижению нормы внесения в МЭК ферментов цитолитического действия. В экспериментах содержание Целловиридина Г20х в МЭК варьировалось от 5 до 25 %.

Результаты экспериментов, позволили выявить две закономерности. Во-первых, снижение нормы Целловиридина Г20х в МЭК в исследуемых интервалах приводит к уменьшению содержания в сусле общих фруктозановом, в том числе и редуцирующих сахаров. Во-вторых, за счет перераспределения соотношения в МЭК ферментов протеолитического и цитолитического действия в сторону повышения первых, удается резко снизить уровень содержания пектина в сусле с 193-147% к контролю в образцах с содержанием Целловиридина Г20х в МЭК на уровне 25-20% до 107% для вариантов с долей Целловиридина Г20х в МЭК 10-5 %.

В целом, при разработке МЭК оптимального состава, как и при выборе температуры, продолжительности процесса самоосахаривания затора, следует учитывать, что позитивные изменения в фруктановом и пектиназном комплексе топинамбура не совпадают, а скорее имеют противоположную тенденцию. А поэтому, подбор режимных параметров процесса получения осветленного осахаренного сусла целесообразно вести с привлечением математического аппарата.

3.6. Оптимизация технологических режимов получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура.

Для оптимизации технологических параметров процесса получения осветленного осахаренного сусла использовали метод латинских прямоугольников, позволяющий сократить число экспериментов и одновременно варьировать изучаемые факторы на нескольких уровнях.

В результате оптимизации выявлены следующие технологические режимы переработки топинамбура:

- время самоосахаривания затора – 4 часа;

- температура самоосахаривания затора – 55 С;

- содержание Целловиридина Г20х в МЭК - 5%.

Обобщая полученные данные можно считать, что поставленная в работе цель достигнута. В результате углубленных исследований, характеризующих фруктозано-пектиназный комплекс топинамбура и изменений, происходящих в нем в процессе получения осветленного сусла, удалось перевести максимальное количество фруктозанов сырья в жидкую фазу, провести их глубокую деструкцию и сконцентрировать балластные, вредные для производства этанола пектиновые вещества в жмыхе.

Выводы

  1. Впервые проведены комплексные исследования по изучению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура и изменений в нем при получении осветленного сусла, позволившие научно прогнозировать оптимальные варианты и режимные параметры разделения сырья на жидкую и твердую фракции.
  2. Изучен углеводный комплекс топинамбура сорта Скороспелка осеннего сбора урожая. Установлено, что содержание инулина в клубнях составляет 73,0-86,0% на С.В., среди фруктозанов преобладают высокомолекулярные фракции (41,0-54,4 % на С.В.), массовая доля пектиновых веществ соответствует 2,10-3,65 % на С.В., они представлены преимущественно протопектином (свыше 80% от общего содержания пектиновых веществ).
  3. Исследовано распределение фруктозанов и пектиновых веществ по анатомическим частям клубней. Показано, что во внутренних слоях содержится примерно 80 % инулина от его общего количества в сырье, в поверхностных слоях концентрируются пектиновые вещества (60-75 % от их общего содержания в сырье).
  4. Предложена схема выделения из анатомических частей топинамбура образцов пектина, исследованы их свойства. Впервые установлено, что нерастворимый протопектин топинамбура относится к высокоэтерифицированному, имеет в зависимости от подготовки исходного сырья степень метоксилирования 60,4-63,6 %; массовую долю полигалактуроновой кислоты 31,0-67,1 % на С.В.
  5. Определена активность свободных и связанных форм инулиназ топинамбура. Показано, что большей активностью обладают связанные формы фермента. Выявлены оптимальные условия действия инулиназ: t=45-50 C, pH 6,0. Показано, что внесение ионов Ca+2 в затор повышает активность инулиназ на 20-30 %.
  6. Впервые изучена пектинэстераза топинамбура. Установлено, что ее активность составляет 0,22-0,35 ед ПЭ/г топинамбура, что соответствует 36,6-41,9 ед ПЭ/г пектина сырья. Оптимальными условиями действия пектинэстеразы являются: t=40-45 C, pH 6,0-7,0. Подкисление затора до pH 4,5-5,0 снижает активность фермента на 25-50 %.
  7. Исследован процесс деструкции и перевода фруктозанов и пектиновых веществ в сок при различных вариантах его получения. Показано, что способ разделения сырья на жидкую и твердую фазы по Варианту I с выделением только сока характеризуется низкой эффективностью, т.к. в сусло переходит не более 40-50 % фруктозанов от их исходного содержания в сырье.
  8. Проведена сравнительная характеристика 2-х и 1-но стадийных схем (Варианты II и III) получения осветленного сусла из топинамбура и доказано преимущество последней.
  9. Изучена динамика изменений в фруктозановом комплексе топинамбура при разных температурах и pH процесса самоосахаривания затора и установлено, что до 25-30% высокомолекулярных фруктоназов остаются в сырье в связанном состоянии, что препятствует их гидролизу собственными инулиназами сырья.
  10. Впервые проведены работы по получению осветленного сусла из топинамбура с использованием ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия. Установлено, что внесение Нейтразы, Целловиридина Г20х и разработанного на их основе МЭК, влияет на процесс разделения сырья на жидкую и твердую фазы.
  11. Снята динамика изменений в фруктозано-пектиназном комплексе сырья в процессе самоосахаривания затора, при внесении в среду МЭК, на основании которой выбраны наиболее значимые параметры процесса и установлены интервалы их варьирования.
  12. Проведена оптимизация процесса получения осахаренного сусла из топинамбура, позволившая установить следующие режимы на стадии самоосахаривания затора: t=55 C, =4 часа, состав МЭК - 5% Целловиридина Г20х.
  13. Показано, что выбранные режимы получения осветленного сусла из топинамбура позволяют перевести максимальное количество фруктозанов сырья в жидкую фазу (90-95%), провести их глубокую деструкцию (содержание свободных сахаров достигает 70%) и сконцентрировать вредные для производства этанола пектиновые вещества в жмыхе (до 90% от их содержания в сырье).

Список работ, опубликованных по материалам диссертации.

1. Чечеткин Д.В., Крикунова Л.Н., Карпиленко Г.П. Исследование углеводного комплекса топинамбура и его анатомических частей // Сборник докладов III Юбилейной международной выставки – конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». – Москва, 2005, С.152-154.

2. Чечеткин Д.В., Карпиленко Г.П., Крикунова Л.Н. Пектиновые вещества топинамбура и их свойства // Труды V ежегодной международной молодежной конференции ИбхФ РАН-ВУЗы «Биохимическая физика». – Москва, 2005, С.349-353.

3. Крикунова Л.Н., Чечеткин Д.В. Пути повышения эффективности переработки топинамбура в этанол // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2005, №4, с.35-36.

4. Чечеткин Д.В., Карпиленко Г.П., Крикунова Л.Н. Влияние способа получения сока из топинамбура на выход и деструкцию фруктозанов и пектиновых веществ. // Известия вузов. Пищевая технология, 2006, №1, С. 53-55.

5. Крикунова Л.Н., Чечеткин Д.В., Карпиленко Г.П. Применение ферментных препаратов различного действия в технологии этанола из топинамбура // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2006, №2, С.36-38.

6. Чечеткин Д.В., Карпиленко Г.П., Крикунова Л.Н. Пектинэстераза топинамбура: активность, свойства // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2006, №3, С. 18-19.

7. Чечеткин Д.В., Крикунова Л.Н., Карпиленко Г.П. Исследование процесса гидролиза фруктозанов топинамбура под действием собственных гидролаз сырья // Хранение и переработка сельхозсырья, 2006, № 4, С.39-43.

8. Крикунова Л.Н., Гернет М.В., Чечеткин Д.В. Пектиновые вещества топинамбура: содержание, распределение по анатомическим частям, свойства // Хранение и переработка сельхозсырья, 2006, №5, С. 50-54.

9. Крикунова Л.Н., Чечеткин Д.В., Пономарева М.С. Оценка биохимического состава топинамбура с позиции использования в качестве основного сырья спиртового производства // Материалы международной научно-практической конференции «Рациональное использование биоресурсов в АПК». – Владикавказ, 2006.


[1] Выражаю глубокую благодарность к.т.н., доц. Крикуновой Л.Н. за ценные советы, практические рекомендации и помощь, оказанные в ходе планирования и выполнения настоящей работы.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.