Разработка технологии этанола из ик-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла
На правах рукописи
Сумина Людмила Ивановна
РАЗРАБОТКА технологии этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла
Специальность 05.18.07. - Биотехнология пищевых продуктов
(пивобезалкогольная, спиртовая и
винодельческая промышленности)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств».
| Научный руководитель: | доктор технических наук, доцент Крикунова Людмила Николаевна |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Иванова Людмила Афанасьевна кандидат технических наук Леденев Владимир Павлович |
| Ведущая организация: | Московский государственный университет технологий и управления |
Защита состоится « » 2009 года в ч., ауд. III-101 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.148.04 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «МГУПП».
Автореферат разослан «___» ____________ 2009 г.
Ученый секретарь Совета
д.т.н., проф. Крюкова Е.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Спиртовая отрасль характеризуется низкой рентабельностью производства и сильной зависимостью от сырьевой базы. В себестоимости спирта затраты на сырье достигают 60,0-70,0 % от общих. Одним из способов повышения эффективности производства является применение более дешевых видов сырья, к которым из традиционных относится ячмень. Однако в технологии этанола переработка пленчатой культуры сопряжена с трудностями, зависящими от ее структурных особенностей, в связи с чем на заводах ячмень используют совместно с голозерными.
Для создания технологии, позволяющей перерабатывать ячмень в качестве единственного вида сырья, необходимо целенаправленно изменить его структурно-механические свойства. В настоящее время к одному из перспективных способов, приводящих к требуемому результату, можно отнести ИК-обработку зерна. Ранее данный способ уже применялся при создании новых технологий этанола из пшеницы и ржи. При переработке ячменя метод микронизации предлагается использовать впервые.
Повысить эффективность спиртового производства за счет увеличения производительности предприятий на существующем оборудовании возможно и развивая такое приоритетное направление отрасли, как создание технологий, основанных на получении и сбраживании концентрированных сред, позволяющих также решать экологические проблемы отрасли, связанные с необходимостью полной утилизации основного техногенного отхода – послеспиртовой барды, объем которой составляет 0,10-0,12 м3 на 1 дал спирта.
Однако, имея несомненные преимущества, при внедрении таких технологий возникают трудности, связанные в первую очередь с технологичностью сред: замеса, разваренной массы и сусла. Известно, что процессы, протекающие при водно-тепловой и ферментативной обработке, зависят от свойств перерабатываемого зерна. Под действием микронизации данные свойства изменяются, что может влиять на процесс получения концентрированного сусла, в том числе и из ИК-обработанного ячменя.
Традиционно переработка сырья при пониженных гидромодулях предусматривает применение дополнительных ферментных препаратов целлюлолитического действия, позволяющих решать проблемы получения технологичных сред, и, кроме того, более рационально использовать высокомолекулярные полимеры зернового сырья, обеспечивать высокую степень биоконверсии углеводов в этанол, в целом, способствуя улучшению технологических показателей брожения и повышению выхода спирта. При этом эффективность ведения процесса, научно-обоснованный выбор основных и дополнительных ферментных препаратов зависят от их субстратной специфичности.
Учитывая все вышеперечисленное, исследования по разработке научно-практических основ создания новой технологии этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла актуальны и перспективны. Официальным подтверждением этого является включение данной тематики в программу «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» в рамках стажировки в научно-исследовательском институте по пивоварению и солодоращению при Берлинском техническом университете (Германия).
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка технологии этанола на основе целенаправленного изменения исходных технологических свойств ячменя при его ИК-обработке с последующим получением и сбраживанием концентрированного сусла из данного вида сырья.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:
- изучить влияние параметров микронизации ячменя на его технологические свойства; рекомендовать режимы ИК-нагрева;
- на основе изучения вязкостных свойств перерабатываемых сред обосновать выбор ферментного препарата разжижающего действия;
- определить взаимосвязь между параметрами ферментативной обработки ячменя и реологическими и качественными характеристиками полупродуктов производства;
- разработать мультэнзимные композиции для получения высокоэкстрактивных сред из ИК-обработанного ячменя;
- обосновать характер деструкции крахмала сырья под действием амилолитических, целлюлолитических и протеолитических ферментных препаратов, входящих в состав мультэнзимных композиций, на основе изучения свойств образцов крахмала, выделенных из исходного и микронизированного ячменя;
- оптимизировать процесс получения концентрированного сусла;
- исследовать влияние углеводного состава сусла на развитие спиртовых дрожжей;
- определить факторы, влияющие на процесс сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя; провести сравнительный анализ образцов зрелой бражки контрольных и опытных вариантов на содержание этилового спирта и вредных летучих примесей;
- разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя.
Научная новизна. В результате выполненных комплексных исследований по изучению технологических свойств сырья выявлены отличия в характере процессов, протекающих при ИК-обработке ячменя в сравнении с пшеницей и рожью.
На основании изучения динамики изменения реологических характеристик перерабатываемых сред научно обоснованы различия в действии ферментных препаратов с термостабильной -амилазой.
Разработаны новые мультэнзимные композиции (МЭК-1 и МЭК-2) для решения проблемы снижения вязкости в процессе получения концентрированного сусла из микронизированного ячменя. Впервые в качестве альтернативы ферментам целлюлолитического действия, традиционно использующимся для этой цели, предложено применение ферментных препаратов с активной эндопротеазой.
Анализ образцов крахмала, выделенных из исходного и ИК-обработанного ячменя, с применением системы для микроскопии LEICA DMLM позволил научно обосновать механизм действия на субстрат мультэнзимных композиций разного состава.
Впервые выявлена взаимосвязь между содержанием отдельных сахаров, -глюкана в образцах осахаренного сусла, полученных из исходного и микронизированного ячменя, и применяемыми на стадии водно-тепловой обработки ферментными препаратами (разжижающего действия, мультэнзимными композициями).
На основании модельных опытов по сбраживанию сред различного углеводного состава научно обоснованы выбор расы спиртовых дрожжей, стадии и нормы внесения осахаривающего ферментного препарата при получении концентрированного сусла.
Выявлена корреляционная зависимость между режимами ИК-нагрева ячменя, параметрами водно-тепловой и ферментативной обработки, составом мультэнзимных композиций, условиями сбраживания и показателями качества сусла, бражки, в том числе по содержанию вредных летучих примесей в последней.
Практическая значимость. Экономически обоснована перспективность включения в технологическую схему производства этанола из ячменя аппаратов по ИК-обработке сырья, позволяющих, в зависимости от режимных параметров процесса, целенаправленно изменять технологические свойства зерна:
- снижать прочностные свойства ячменя, и, соответственно, получать мелкие и равномерные помолы из зерна, при снижении энергозатрат до 35,0 % против контроля;
- повышать степень клейстеризации и ферментативную атакуемость крахмала зерна за счет деструкции полисахаридов сырья.
Разработана новая технология этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла, позволяющая при использовании ячменя в качестве единственного более дешевого вида сырья получать с применением предложенных МЭК технологичные с позиции вязкости среды и бражку с повышенной крепостью (в среднем на 1,5-2,0 % об.) без превышения содержания в ней вредных летучих примесей по сравнению с контролем. Технические решения, положенные в основу разработанной технологии, защищены патентом РФ № 2301261.
Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии этанола из ИК-обработанного ячменя в условиях ГУП Московский опытный завод РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ.
По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции по разработанному варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут составила 8,29 млн. руб.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях «НИРС-2006», «НИРС-2007» (М., 2006 г., 2007 г.), на IV международной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2006 г.), на V юбилейной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2007 г.), на VI международной научной конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2008 г.), на научно-практической конференции, посвященной 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ им. К.Д. Глинки «Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания» (Воронеж, 2008 г.), на VI международной научно-практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (М., 2008 г.), на научном семинаре стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» и «Эммануил Кант» (М., 2009 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 публикациях, включая 9 статей и 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 208 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 175 страницах машинного текста, содержит 27 рисунков и 52 таблицы.
1 Обзор литературы
В обзоре литературы приведены данные по характеристике основного сырья спиртового производства, включая свойства ячменя, представлен перечень ферментных препаратов, используемых в производстве этанола, рассмотрены теоретические основы ферментативного гидролиза полисахаридов и белковых веществ сырья. Обобщены сведения о применении метода ИК-нагрева зерна. Освещены вопросы основных преимуществ и проблем при переработке концентрированных сред.
2 Экспериментальная часть
2.1 Материалы и методы исследования
Исследования осуществляли в лабораторных и промышленных условиях на базах ГОУВПО «МГУПП», ООО «ПК Старт», ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов РАСХН, НИИ при Берлинском техническом университете. Объектом исследования являлось зерно ячменя урожаев 2006-2008 гг., поступившее в производство на спиртовые заводы России. ИК-обработку зерна проводили на промышленной установке марки УТЗ-4.
В работе применяли ферментные препараты отечественного и зарубежного производства: Термамил SC, Амилаза HT 4000, Зимаджунт НТ 340С, Амилопротолихетерм Г3х, Конверзим АМГ-300, Шеарзим 500 L, Вискоферм, Зимафилт Л-300, Брюзайм BGP, Нейтраза 0,8 L, Алкалаза 2,4 L FG, Максазим NNP DS+.
Анализ биохимических показателей исходного и ИК-обработанного ячменя проводили с использованием: химического метода Меркера для определения условной крахмалистости зерна, метода Попова-Шаненко для анализа содержания декстринов, метода Бертрана для определения редуцирующих сахаров.
Физические и структурно-механические свойства зерна изучали с использованием прибора «Амилотест АТ-97» и приставки-твердомера к фаринографу.
Исследование структуры образцов крахмала, изменений в нем при ферментативной обработке проводили с применением системы для микроскопии LEICA DMLM.
Анализ полупродуктов спиртового производства проводили с применением общепринятых методов в отрасли, а также ряда специальных методов (метод ВЭЖХ, флуорометрический метод определения -глюкана).
2.2 Результаты исследований и их обсуждение
2.2.1 Исследование процессов при микронизации зерна ячменя
Ранее были изучены процессы при ИК-обработке пшеницы и ржи, предназначенных к получению этанола, и показано, что характер изменений технологических свойств зерна зависит от его вида. Поэтому при переработке ячменя в спиртовой отрасли на основе изучения физических, реологических и биохимических свойств сырья необходимо было уточнить режимы его ИК-нагрева. В качестве объектов исследования использовали четыре пробы зерна (W = 12,0; 14,0; 16,0; 18,0 %). Образцы ячменя подвергали ИК-облучению при мощности излучаемого потока 22-24 кВт/м2.
Изучение физических характеристик микронизированного ячменя при различных значениях исходной влажности и температуры ИК-нагрева показало, что найденные зависимости не совпадают с установленными ранее для пшеницы и ржи.
Исследование структурно-механических свойств образцов ячменя на основе предложенных ранее методов их оценки: гранулометрического состава помолов по модулю крупности (М), определения доступности зерна к дроблению с использованием приставки-твердомера к фаринографу (Адр), изучения процесса деструкции крахмала ячменя с помощью прибора «Амилотест АТ-97» (Ауд) выявило, что М закономерно возрастает с увеличением влажности зерна и снижается с повышением температуры ИК-обработки; с повышением исходной влажности ячменя с 12,0 % до 18,0 % возрастают энергетические затраты при получении мелкого помола (Адр) примерно в 1,4 раза. Обсчет экспериментальных амилограмм показал, что для каждого значения влажности выявлены температуры ИК-нагрева, соответствующие минимальному значению Ауд. При сравнении с пшеницей установлена тенденция сдвига полученных значений в сторону меньших температур ИК-нагрева.
Определение биохимических показателей исходного и ИК-обработанного ячменя позволило, во-первых, на основе анализа содержания крахмала в сырье установить, что ячмень с влажностью W = 12,0-18,0 % можно обрабатывать до температур ИК-нагрева не выше t = 140 С, что согласуется с ранее полученными результатами для пшеницы и не совпадает с данными, полученными для ржи.
Также в качестве биохимических показателей в работе были определены степень клейстеризации крахмала сырья и его ферментативная атакуемость. Выявлено, что с увеличением исходной влажности ячменя возрастает абсолютное значение степени клейстеризации. Ее максимум (13,8 %) соответствует образцу зерна с W = 18,0 %. Изучение ферментативной атакуемости крахмала ячменя показало, что при оптимальных температурах микронизации зерна количество декстринов увеличивается за первые 20 минут до 227,0-298,0 % по отношению к контролю, что сопоставимо с данными, полученными для ржи и ниже данных по этому показателю при исследовании пшеницы. Вероятнее всего, причиной может быть наличие в ячмене повышенного количества веществ, препятствующих доступу амилаз ферментных препаратов к крахмалу, в частности растворимых гемицеллюлоз и -глюкана.
В итоге на основе комплексных исследований по определению физических, структурно-механических и биохимических характеристик ячменя, подвергнутого ИК-обработке, рекомендованы следующие температуры его нагрева:
- влажность W = 12,0 % температура обработки tобр = 120-130 С;
- влажность W = 14,0 % температура обработки tобр = 120 С;
- влажность W = 16,0 % температура обработки tобр = 110-120 оС;
- влажность W = 18,0 % температура обработки tобр = 110 С.
2.2.2 Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из исходного и ИК-обработанного зерна ячменя
В настоящей работе при создании технологии этанола из исходного и ИК-обработанного ячменя использован наиболее перспективный способ, основанный на механико-ферментативной обработке сырья, имеющий ряд существенных преимуществ перед способом с развариванием. С использованием данного способа в работе были проведены исследования по выбору ферментных препаратов разжижающего и осахаривающего действия и изучена возможность снижения их нормы дозировки.
Выбор ферментного препарата разжижающего действия
Известно, что ферментные препараты обладают субстратной специфичностью, а поэтому в связи с изменением технологических свойств зерна под действием ИК-нагрева были выполнены эксперименты по выбору термостабильных ферментных препаратов разжижающего действия: Термамил SC, Амилаза HT 4000, Зимаджунт HT 340C, Амилопротолихетерм Г3х. Изучение динамики изменения реологических характеристик сред в работе проводили на приборе «Амилотест АТ-97».
Определение влияния режимов ИК-обработки ячменя и субстратной специфичности ферментных препаратов по параметрам амилограмм, выявило (таблица 1), что все ферментные препараты, кроме Термамила SC, в разной степени понижают вязкость проб в зависимости от используемого зерна.
Таблица 1 - Влияние режимов ИК-обработки ячменя и субстратной специфичности ферментных препаратов на показатель максимального усилия перемешивания
| Наименование ферментного препарата | Максимальное усилие перемешивания, Н | |||
| W = 12 %, t = 130 оС | W = 14 %, t = 120 оС | W = 16 %, t = 120 оС | W = 18 %, t = 110 оС | |
| Термамил SC | 0,62 | 0,65 | 0,65 | 0,64 |
| Амилаза HT 4000 | 0,80 | 0,96 | 1,71 | 1,98 |
| Зимаджунт HT-340 C + | 1,60 | 1,68 | 2,16 | 2,80 |
| Амилопротолихетерм Г3х | 0,98 | 1,18 | 1,36 | 1,30 |
Прослеживается закономерность снижения эффективности действия всех препаратов, кроме Термамила SC, при повышении исходной влажности ячменя. Напротив, последний снижает вязкость независимо от используемой пробы до определенного значения, что позволяет не учитывать отличительные особенности технологических свойств проб ИК-обработанного зерна. Поэтому именно этот препарат рекомендован к использованию при получении этанола из микронизированного ячменя.
Исследование процесса получения разваренной массы
В работе было рассмотрено влияние температурных режимов на получение разваренной массы из исходного и ИК-обработанного ячменя. Эксперименты проводились в двух вариантах: Вариант I – по Регламенту; Вариант II с измененными температурно-временными паузами: t = 45-50 С, = 60 минут; t = 95-98 С, = 150 минут. Пауза при t = 65-70 С отсутствует, так как далее в работе будет показано, что данная температура соответствует максимальному значению вязкости. Установлено, что Вариант II предпочтителен для переработки микронизированного ячменя с позиции перехода С.В. в растворимое состояние при получении неконцентрированного сусла.
Изучение влияния технологических параметров водно-тепловой и ферментативной обработки на показатели качества осахаренного сусла
С целью сокращения энергозатрат на стадии получения разваренной массы в работе были выполнены эксперименты, связанные с возможностью снижения продолжительности пауз при механико-ферментативной обработке микронизированного зерна по выбранному Варианту II. Показано, что продолжительность паузы при температуре t = 95-98 С может быть сокращена со 150 до 90 минут без снижения массовой доли сухих веществ в сусле. Также установлено, что дозировка разжижающего препарата должна составлять 0,2 ед АС/г условного крахмала сырья, а осахаривающего – может быть снижена до 5,0 ед ГлС/г условного крахмала сырья.
2.2.3 Исследование процесса получения концентрированного сусла из ИК-обработанного зерна ячменя
В связи со сложившейся ситуацией в спиртовой отрасли на первый план в настоящее время выходят проблемы экологического характера, обусловленные необходимостью полной утилизации послеспиртовой барды. Самый реальный путь их решения заключается в получении и сбраживании концентрированного сусла. Однако он ведет к резкому увеличению вязкости перерабатываемых сред. Особенно остро этот вопрос встает при водно-тепловой и ферментативной обработке концентрированной массы, полученной при переработке зерна ячменя, в том числе и ИК-обработанного.
Параметры, влияющие на реологические характеристики при получении концентрированного сусла
При получении концентрированного сусла из ячменя в качестве варьируемых параметров исследовались: характеристика сырья (исходный и ИК-обработанный ячмень), гидромодуль, норма дозировки разжижающего ферментного препарата (выбранного ранее Термамила SC). Процесс контролировали путем снятия экспериментальных амилограмм. Установлено, что с уменьшением гидромодуля (с 1 : 3,5 до 1 : 2,0) закономерно возрастает показатель максимального усилия перемешивания (Fmax) с 0,6 Н до 4,5 Н для замесов, полученных из ИК-обработанного ячменя. Технологичными с позиции вязкости являются среды, в которых Fmax находится на уровне 0,5-0,7 Н. Обсчет экспериментальных кривых по Ауд приведен в таблице 2.
Таблица 2 - Изменение показателя энергии деструкции крахмала сырья в зависимости от гидромодуля
| Гидромодуль | Энергия деструкции крахмала (Ауд), Дж/г | |
| Исходный ячмень | ИК-обработанный ячмень | |
| 1 : 3,50 | 0,852 | 0,690 |
| 1 : 3,25 | 1,010 | 0,873 |
| 1 : 3,00 | 1,501 | 1,459 |
| 1 : 2,75 | 1,608 | 1,529 |
| 1 : 2,50 | 2,907 | 2,704 |
| 1 : 2,25 | 2,924 | 2,287 |
| 1 : 2,00 | 5,776 | 5,506 |
Установлено, что абсолютное значение Ауд для проб, полученных с использованием ИК-обработанного ячменя, меньше, чем для проб с применением исходного ячменя. Данный факт связан с повышением ферментативной атакуемости крахмала микронизированного зерна и является позитивным для отрасли. Также показано, что при норме дозировке Термамила SC 0,4 ед АС/г условного крахмала сырья гидромодуль не должен быть меньше 1 : 3,0 - 1 : 3,25, поскольку при дальнейшем снижении гидромодуля Fmax превышает выбранное допустимое значение.
Исходя из вышеперечисленного, существует два возможных варианта решения проблем, связанных с вязкостью сред на стадии получения концентрированного сусла.
В качестве первого решения может быть предложен вариант с увеличенной нормой дозировки разжижающего ферментного препарата. В таблице 3 приведены данные по влиянию норм дозировок Термамила SC на параметры амилограмм.
Таблица 3 - Влияние нормы дозировки Термамила SC на параметры амилограмм
| Норма дозировки Термамила SC, ед АС/г условного крахмала сырья | Параметры амилограмм | |||
| 1 : 2,5 | 1 : 2,0 | |||
| Fmax, Н | Ауд, Дж/г | Fmax, Н | Ауд, Дж/г | |
| 0,4 | 1,70 | 2,704 | 4,48 | 5,506 |
| 0,6 | 1,73 | 2,557 | 4,40 | 5,249 |
| 0,8 | 1,44 | 2,315 | 3,47 | 4,620 |
| 1,2 | 1,24 | 2,172 | 3,30 | 4,399 |
Показано, что, несмотря на внесение повышенного количества разжижающего ферментного препарата, не удается при гидромодулях 1 : 2,5 и 1 : 2,0 получать технологичные среды. Так, при увеличении количества Термамила SC в 1,5; 2,0; 3,0 раза энергия деструкции крахмала снижается лишь на 5,0, 15,0 и 20,0 % соответственно.
Поэтому следующим этапом работы являлась разработка мультэнзимных композиций при получении концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя.
Разработка мультэнзимных композиций
Для решения проблем, связанных с вязкостью сред при получении концентрированного сусла специалисты используют различные ферментные препараты, обладающие целлюлазной, ксиланазной, -глюканазной и другими активностями. При этом для выбора наилучшего препарата необходимо учитывать его субстратную специфичность. Для производства концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя такой подбор ранее не осуществлялся.
На первом этапе выбор мультэнзимной композиции (МЭК) осуществляли с применением Термамила SC и ферментных препаратов целлюлазного и гемицеллюлазного действия (Шеарзим 500 L, Вискоферм, Зимафилт Л-300, Брюзайм BGP). Дополнительные ферментные препараты использовали в дозировке 0,2 ед -ГкС/г условного крахмала сырья.
На рисунке 1 представлены данные по динамике изменения вязкости замесов, полученных из ИК-обработанного ячменя с применением ферментных препаратов целлюлазного и гемицеллюлазного комплекса. При составлении мультэнзимной композиции норма внесения Термамила SC составляла 0,4 ед АС/г условного крахмала.
Рисунок 1 - Динамика изменения вязкости замесов при использовании ферментных препаратов целлюлазного и гемицеллюлазного действия
Установлено, что использование МЭК, в состав которой, кроме Термамила SC, входят целлюлолитические ферментные препараты, уменьшает показатель Fmax в 1,5-7,0 раз. Также показано, что наибольшая эффективность по снижению вязкости замесов в ходе их ферментативной обработки выявлена при применении мультэнзимной композиции, состоящей из Термамила SC и Вискоферма (далее по тексту МЭК-1).
Исследование влияния нормы дозировки Вискоферма (от 0,05 до 0,50 ед -ГкС/г условного крахмала сырья) в МЭК-1 на параметры амилограмм показало, что технологичными являются среды, полученные с использованием МЭК-1, в состав которой входит Вискоферм в количестве 0,05-0,10 ед -ГкС/г условного крахмала сырья.
Ранее проведенные исследования биохимических показателей качества ИК-обработанного зерна показали, что микронизация приводит к снижению растворимости белков сырья при одновременном повышении их ферментативной атакуемости. Учитывая данный факт, в настоящей работе проведены исследования по созданию мультэнзимной композиции, в состав которой, кроме амилолитических ферментов разжижающего действия, входят активные протеазы. В качестве последних использовали Нейтразу 0,8 L, Алкалазу 2,4 L FG, Максазим NNP DS+.
Графический материал рисунка 2 показывает, что реологические свойства обрабатываемых сред меняются в зависимости от применяемого препарата протеолитического действия. К примеру, Fmax при использовании Алкалазы 2,4 L FG и Максазима NNP DS+ снижается в среднем на 40,0-70,0 %, а при использовании Нейтразы 0,8 L в 4,5 раза. Поэтому данный ферментный препарат рекомендован при разработке МЭК, в состав которой входят амилолитический препарат разжижающего действия и препарат, содержащий активную протеазу (далее по тексту МЭК-2).
Рисунок 2 - Динамика изменения вязкости замесов при использовании ферментных препаратов протеолитического действия
Также как и при разработке МЭК-1, в МЭК-2 выявлено влияние норм дозировок Нейтразы 0,8 L на параметры амилограмм, на основании которых рекомендована норма дозировки – не менее 0,20 ед ПС/г условного крахмала сырья.
Изучение свойств образцов крахмала, полученных из исходного и ИК-обработанного ячменя
Для обоснования механизма действия разработанных мультэнзимных композиций в работе были проведены исследования по изучению свойств образцов крахмала из исходного и ИК-обработанного зерна, в том числе на стадии их ферментативной обработки Термамилом SC (Контроль), МЭК-1 (Опыт I), МЭК-2 (Опыт II).
Полученные образцы крахмала были проанализированы по качественным характеристикам согласно ГОСТ 7698-93. Установлено (таблица 4), что данные показатели исследованных проб крахмала существенно отличаются. Так, крахмал, полученный из ИК-обработанного ячменя, содержит почти в 2,0 раза больше белка, чем крахмал из исходного зерна.
Таблица 4 - Характеристика показателей качества образцов крахмала, полученных из исходного и ИК-обработанного ячменя
| Показатели | Образцы крахмала | |
| Исходный ячмень | ИК-обработанный ячмень | |
| Влажность, % | 6,00 | 9,90 |
| Зольность, % | 0,25 | 0,26 |
| Белок, % | 0,36 | 0,65 |
| Кислотность, см3 0,1 н NaOH | 12,77 | 10,54 |
Также в работе приведены микрофотографические исследования выделенных образцов крахмала с использованием системы для микроскопии LEICA DMLM (рисунок 3). Графический материал дает возможность увидеть в крахмале, полученном из микронизированного ячменя, наличие белковых глобул, что согласуется с данными таблицы 4, и предположительно связано с денатурацией белков исходного сырья под действием ИК-обработки. Денатурированные белки более прочно связываются с крахмальными гранулами, и, именно это, является следствием изменения свойств образцов крахмала.
А Б
Рисунок 3 - Микрофотографии образцов крахмала: А – крахмал, полученный из исходного ячменя; Б – крахмал, полученный из ИК-обработанного ячменя
Отдельная серия экспериментов посвящена влиянию применяемых ферментных препаратов на динамику изменения количества крахмальных зерен в процессе ферментативного гидролиза, при котором теоретически мог происходить либо разрыв связей между слипшимися крахмальными зернами, что сказывалось на повышении их количества, либо ферментативное разрушение отдельных гранул (в этом случае процесс сопровождался снижением количества крахмальных зерен). В конкретных опытах, скорее всего, протекали оба процесса, и прибор фиксировал общий результат после данного воздействия. В таблице 5 приведены данные по изменению количества крахмальных зерен в процессе ферментативной обработки.
Таблица 5 - Динамика изменения количества крахмальных зерен в процессе ферментативной обработки
| Длительность обработки, мин | Количество крахмальных зерен, % от исходного | |||||
| Крахмал из исходного ячменя | Крахмал из ИК-обраб. ячменя | |||||
| Термамил SC | МЭК-1 | МЭК-2 | Термамил SC | МЭК-1 | МЭК-2 | |
| 0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
| 15 | 93,0 | 85,4 | 96,7 | 104,8 | 99,1 | 92,3 |
| 30 | 95,8 | 86,3 | 94,2 | 103,2 | 95,9 | 91,5 |
| 45 | 97,5 | 83,5 | 94,5 | 99,6 | 85,0 | 105,5 |
| 60 | 99,7 | 82,1 | 94,2 | 101,6 | 81,2 | 105,2 |
Установлено, что при применении МЭК-1, наблюдается закономерное снижение количества крахмальных зерен при увеличении длительности обработки. Данная закономерность выявлена как при использовании крахмала, выделенного из исходного ячменя, так и из микронизированного. Обработка образцов крахмала МЭК-2, в состав которой входит активная эндопротеаза, зависит от используемой пробы крахмала. Процесс ферментативного гидролиза пробы, полученной из ИК-обработанного ячменя, носит сложный характер. Первый этап обработки характеризуется снижением количества крахмальных зерен, а последующий – их повышением. Последнее может быть связано с разрушением агломератов, соединяющих отдельные крахмальные зерна.
Для подтверждения выдвинутого предположения приводятся фотографии, полученные после ферментативной обработки крахмала, выделенного из микронизированного ячменя, с использованием Термамила SC, МЭК-1 и МЭК-2 (рисунок 4).
Показано, что обработка крахмала ячменя Термамилом SC приводит к разрушению только единичных крахмальных гранул. Большая же их часть характеризуется целостностью (А). Применение МЭК-1 (Б), в состав которой входит Вискоферм, сопровождается разрушением крахмальных гранул и образованием трещин, однако, целостность внешней поверхности в большинстве зерен сохраняется. Использование МЭК-2 (В), содержащей активную протеазу, напротив, приводит к гидролизу веществ, входящих в состав поверхности крахмальной гранулы, а также частичному разрушению внутренней части крахмального зерна.
А Б В
Рисунок 4 - Микрофотографии крахмальных гранул, подвергнутых ферментативной обработке Термамилом SC (А), МЭК-1 (Б), МЭК-2 (В)
Сравнительная характеристика показателей качества сусла
Характер и глубина процессов, происходящих на стадии получения осахаренного сусла, зависят от способов и режимов переработки сырья, а также его технологических свойств. При решении вопросов получения концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя необходимо было выявить наиболее проблемные с позиции вязкости этапы водно-тепловой и ферментативной обработки.
Сначала были проведены исследования при гидромодуле 1 : 3,5 для выявления значения, соответствующего времени истечения пробы из исходного зерна, которое далее в работе принималось за предельно допустимое. Результаты показали, что максимальная вязкость в процессе получения разваренной массы наблюдается при повышении температуры обработки до t = 65-70 оС. Данное значение для исходного зерна составляло порядка 10 секунд, а для ИК-обработанного возрастало до 25 секунд.
Выбрав предельно допустимое значение времени истечения пробы ( = 10 секунд), были проведены эксперименты по влиянию ряда факторов в процессе получения разваренной массы, которую получали по двум вариантам: Вариант I – режим Регламента; Вариант II – вторая стадия обработки при температуре t = 65-70 оС снята. На данном этапе исследований гидромодуль соответствовал 1 : 2,5.
Первым варьируемым фактором являлась степень дробления ячменя. В таблице 6 представлены данные по динамике изменения вязкости в процессе получения разваренной массы, полученной по Варианту I. Установлено, что время истечения пробы при производстве концентрированного сусла по сравнению с неконцентрированным, существенно увеличивается: для замесов, полученных из исходного ячменя, с 10 секунд до 230-240 секунд, а для образцов, полученных из микронизированного ячменя, среды являются полностью нетехнологичными.
Аналогичные эксперименты были проведены при получении разваренной массы по Варианту II. Показано, что при дозировке Термамила SC 0,4 ед АС/г условного крахмала сырья даже в Варианте II абсолютное значение времени истечения пробы выше допустимого ( = 10 секунд).
Таблица 6 - Динамика изменения вязкости в процессе получения разваренной массы из исходного и ИК-обработанного ячменя в зависимости от степени дробления
| Стадия отбора пробы | Время истечения пробы, с | ||||||||
| Проход через сито диаметром, % | |||||||||
| t, оС | , ч | d = 1,0 мм, 80 % | d = 1,0 мм, 100 % | d = 0,8 мм, 100 % | d = 0,56 мм, 100 % | ||||
| Исх. | ИК | Исх. | ИК | Исх. | ИК | Исх. | ИК | ||
| 45-50 | 0,5 | 6 | 57 | 25 | 121 | 65 | н/т | 58 | н/т |
| 65-70 | 0,5 | 236 | н/т | 240 | н/т | 230 | н/т | 245 | н/т |
| 65-70 | 1,0 | 197 | н/т | 204 | н/т | 207 | н/т | 214 | н/т |
| 65-70 | 1,5 | 180 | н/т | 160 | н/т | 110 | н/т | 115 | н/т |
| 95-98 | 0,5 | 60 | 160 | 31 | 230 | 29 | 270 | 20 | 230 |
| 95-98 | 1,0 | 60 | 180 | 31 | 200 | 28 | 130 | 21 | 90 |
| 95-98 | 1,5 | 62 | 125 | 33 | 180 | 30 | 128 | 22 | 95 |
Следующий этап исследований по получению концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя проводили на помоле, характеризующемся 100 %-ным проходом через сито диаметром d = 0,56 мм с использованием в контроле ферментного препарата Термамил SC, в опытах – МЭК-1 и МЭК-2, причем норма внесения Термамила SC во всех вариантах составляла 0,4 ед АС/г условного крахмала сырья. Установлено, что выбранные на основании изучения динамики изменения вязкости замесов мультэнзимные композиции, позволили достичь показателя времени истечения пробы на уровне = 3-7 секунд в зависимости от варианта получения.
Однако, кроме вязкости, процесс должен характеризоваться и показателями качества получаемых продуктов. Анализ данных по содержанию сухих веществ в разваренной массе показал, что динамика изменения данного показателя зависит от варианта получения сусла и степени дробления сырья, однако конечное содержание С.В. в ней одинаково, а поэтому с экономической точки зрения нецелесообразно получать более мелкий помол, чем принят в отрасли. Применение мультэнзимных композиций в целом увеличивает содержание сухих веществ в разваренной массе на 0,4-3,2 %.
В таблице 7 приведены данные по влиянию варианта получения разваренной массы и применяемых ферментных препаратов на качественные характеристики образцов сусла. Установлено, что содержание сухих и редуцирующих веществ (РВ) практически не зависит от температурно-временных режимов обработки замеса. Вместе с тем, содержание общих редуцирующих веществ (ОРВ) при получении разваренной массы контрольных и опытных образцов по Варианту I выше на 1,4-2,7 %, чем по Варианту II. Данный факт связан с тем, что наибольшее влияние на процесс накопления ОРВ в сусле оказывает Термамил SC, оптимальные условия действия которого, ближе к Варианту I.
Таблица 7 - Сравнительная характеристика показателей качества концентрированного сусла
| Показатели сусла | Вариант I | Вариант II | ||||
| Контроль | МЭК-1 | МЭК-2 | Контроль | МЭК-1 | МЭК-2 | |
| Массовая доля, %: - С.В. - ОРВ - РВ - аминный азот Кислотность, град рН | 20,80 14,76 5,40 0,03 0,28 5,79 | 21,20 16,84 10,34 0,03 0,28 5,75 | 21,20 16,34 10,1 0,04 0,32 5,68 | 20,80 13,33 5,50 0,03 0,25 5,76 | 21,00 14,85 8,27 0,03 0,27 5,73 | 20,60 13,57 10,0 0,05 0,35 5,67 |
В качестве второго фактора, который мог оказать влияние на качественные характеристики сусла, в работе исследована интенсивность механического воздействия на обрабатываемое сырье. Условно приняты три варианта: неинтенсивное перемешивание на всех стадиях получения (Вариант А), интенсивное перемешивание (Вариант Б) и без перемешивания на стадии при температуре t = 45-50 оС, с дальнейшим интенсивным перемешиванием на всех остальных стадиях (Вариант В). Цель последнего эксперимента – выявить прочность соединения определенных ферментов с субстратом и скорость образования фермент-субстратного комплекса. Выполненные исследования показали, что более интенсивное перемешивание среды на этапах водно-тепловой и ферментативной обработки замеса позитивно влияет на процесс получения концентрированного сусла. Вместе с тем, при применении МЭК-1, максимальное содержание ОРВ в сусле обнаружено в Варианте В. При использовании МЭК-2, данный вариант практически не оказывает влияния на качественные характеристики сусла.
Третьим фактором, который мог оказать влияние на характеристики концентрированного сусла, были нормы дозировок Вискоферма и Нейтразы 0,8 L в МЭК, которые варьировали в пределах 0,1-0,4 ед ЦС (ПС)/г условного крахмала сырья. Предварительно рекомендована норма внесения Вискоферма и Нейтразы 0,8 L в МЭК-1 и МЭК-2 – 0,2 ед ЦС (ПС)/г условного крахмала сырья соответственно. При данной дозировке были получены опытные образцы сусла, которые исследованы по содержанию отдельных сахаров (таблица 8).
Таблица 8 - Влияние вида мультэнзимной композиции на состав сахаров сусла
| Образцы сусла | Массовая доля сахаров, % | ||||
| фруктоза | глюкоза | сахароза | мальтоза | мальтотриоза | |
| МЭК-1 | 0,37 | 5,88 | 0,24 | 3,93 | 3,55 |
| МЭК-2 | 0,05 | 7,40 | 0,19 | 4,36 | 0,15 |
Установлено, что суммарное содержание моно-, ди- и трисахаридов для образца сусла, полученного с использованием МЭК-1, составляет 13,97 %, МЭК-2 – 12,15 %. В то же время в последнем содержится больше глюкозы в среднем на 25,0 %, мальтозы - на 10,0 % и меньше более чем в 20 раз мальтотриозы. Можно предположить, что установленный факт связан, во-первых, с повышением ферментативной атакуемости крахмала сырья в результате высвобождения крахмальной гранулы из белковой оболочки под действием Нейтразы 0,8 L; во-вторых, с гидролизом -глюкана и других некрахмальных полисахаридов ячменя при воздействии комплекса ферментов, входящих в состав Вискоферма. Сделанное предположение согласуется и с данными по определению -глюкана. Его значение для проб, полученных с использованием МЭК-1 и МЭК-2, составляет соответственно 0,31 % и 0,51 %.
Оптимизация процесса получения концентрированного сусла
Для выявления оптимальных параметров процесса получения концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя, экспериментальные данные были математически обработаны с использованием метода латинских прямоугольников. При этом в качестве варьируемых факторов использовали гидромодуль и норму дозировки Вискоферма/Нейтразы 0,8 L в МЭК. Установлено, что оптимальными значениями являются: гидромодуль – 1 : 2,5; норма дозировки Вискоферма в МЭК-1 – 0,2 ед ЦС/г условного крахмала, Нейтразы 0,8 L в МЭК-2 – 0,2 ед ПС/г условного крахмала сырья.
2.2.4 Изучение процесса сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя
Известно, что процесс сбраживания зернового сусла зависит от целого ряда факторов, в том числе и от его состава. Последний в значительной мере определяется степенью гидролиза крахмала и белков сырья, составом получаемых продуктов.
Влияние углеводного состава сусла на развитие спиртовых дрожжей
С целью прогнозирования влияния углеводного состава сусла на развитие спиртовых дрожжей были проведены эксперименты с использованием модельных сред, ингредиентами которых являлись солодовое сусло и приготовленные 30 %-ные растворы глюкозы и растворимого крахмала. Были получены образцы сред I-VI, содержащие соответственно от 19,0 % до 5,5 % РВ. Установлено, что с увеличением концентрации сахара в среде процесс размножения дрожжей S. cerevisiae расы XII идет хуже (таблица 9). Аналогичные эксперименты были выполнены и с использованием сухих спиртовых дрожжей Ethanol Red. По данным производителя эти дрожжи рекомендуются к сбраживанию концентрированного сусла. Выявлено, что лучшими средами для их размножения являются образцы III и IV, в которых массовая доля сахаров составляет 13,6; 10,9 %, то есть превышает уровень в неконцентрированном сусле. Однако, большее содержание осмотически активных соединений (образцы сред I, II) негативно влияет на процесс размножения данной расы.
Таблица 9 - Влияние углеводного состава модельных сред на размножение дрожжей S. cerevisiae расы XII
| Образец среды | Выделение СО2, г/см3 | С.В. в среде, % к исходному | Кол-во клеток, млн./см3 | Содержание клеток, % | ||
| мертв. | с глик. | почк. | ||||
| I | 2,83 | 4,7 | 69,5 | 3,0 | 28,3 | 50,4 |
| II | 2,98 | 4,8 | 75,0 | 1,6 | 38,8 | 44,0 |
| III | 2,99 | 4,9 | 76,0 | - | 34,7 | 43,8 |
| IV | 3,38 | 5,4 | 80,5 | - | 41,4 | 40,4 |
| V | 3,46 | 5,5 | 88,5 | - | 53,5 | 32,2 |
| VI | 3,42 | 5,5 | 91,5 | - | 58,2 | 31,9 |
Для выявления различий в характере развития дрожжей расы XII и Ethanol Red была снята динамика накопления дрожжевой биомассы с использованием трех сред: Вариант I (максимальное количество сахара – 19,0 %), Вариант II (на уровне 12,0 % сахара), Вариант III (минимальное количество сахара – 5,5 %). Показано (рисунок 5), что размножение дрожжей зависит как от их вида, так и от углеводного состава используемой среды. Установлено, что дрожжи расы Ethanol Red развиваются интенсивнее дрожжей расы XII на средах с повышенным содержанием сахаров.
Рисунок 5 - Динамика накопления дрожжевой биомассы в зависимости от вида дрожжей
Факторы, определяющие процесс сбраживания концентрированного сусла
Настоящий раздел работы выполнен с использованием дрожжей расы Ethanol Red, при норме дозировки Конверзима АМГ-300 7,5; 10,0; 15,0 ед ГлС/г условного крахмала сырья и изменении стадии его внесения: 1. полностью на осахаривание; 2. полностью на сбраживание; 3. дробное внесение. На данном этапе в осахаренное сусло вносили 15 млн. клеток/см3 сусла.
По результатам динамики выделения СО2 при сбраживании образцов концентрированного сусла установлено, что оптимальная норма дозировки осахаривающего ферментного препарата для всех вариантов составляет 10 ед ГлС/г условного крахмала. Для образца сусла, полученного с использованием МЭК-1, лучшим является дробное внесение Конверзима АМГ-300 (25 % глюкоамилазы на осахаривание и 75 % глюкоамилазы на брожение), а для пробы, полученной с применением МЭК-2 –полностью в осахариватель.
Также в качестве фактора, влияющего на процесс сбраживания, в работе исследовали норму внесения засевных дрожжей, которую варьировали от 10 до 25 млн. клеток/см3 сусла. Выполненные эксперименты показали, что для сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя оптимальное количество дрожжевых клеток составляет 15-20 млн. клеток/см3 сусла. Большая норма внесения дрожжей, хотя и интенсифицирует процесс сбраживания на первых этапах, далее сопровождается снижением количества СО2 в конце брожения.
На завершающем этапе работы были получены и проанализированы образцы зрелой бражки. Для этого предварительно были приготовлены четыре пробы сусла:
Контроль I (K I) – неконцентрированное сусло из исходного ячменя по режиму Регламента с внесением 0,2 ед АС и 7,0 ед ГлС/г условного крахмала;
Контроль II (K II) – аналогично К I из ИК-обработанного ячменя;
Опыт I (O I) – концентрированное сусло из ИК-обработанного ячменя по режиму Регламента с использованием МЭК-1 (Термамил SC – 0,4 ед АС/г условного крахмала + Вискоферм – 0,2 ед ЦС/г условного крахмала) и дробным внесением Конверзима АМГ-300 в количестве 10,0 ед ГлС/г условного крахмала;
Опыт II (O II) – концентрированное сусло из ИК-обработанного ячменя, по режиму Регламента с использованием МЭК-2 (Термамил SC – 0,4 ед АС/г условного крахмала + Нейтраза 0,8 L – 0,2 ед ПС/г условного крахмала) и внесением Конверзима АМГ-300, в количестве 10,0 ед ГлС/г условного крахмала в осахариватель.
В полученные образцы сусла вносили сухие спиртовые дрожжи Ethanol Red в количестве 10,0 млн. клеток/см3 сусла для образцов К I и К II; 20,0 млн. клеток/см3 сусла - для O I и O II. Сбраживание осуществляли в течение 60, 66 и 72 часов.
Данные таблицы 10 показывают, что крепость бражного дистиллята при сбраживании образцов концентрированного сусла возрастает в среднем на 1,5-2,0 % об. по сравнению с контрольными вариантами. Применение МЭК-2 позволяет повысить крепость на 0,2-0,3 % об. против проб, полученных с использованием МЭК-1. Кроме того, в данном варианте сокращается длительность брожения до 66 часов. Расчет выхода спирта выявил, что разработанная технология этанола из ИК-обработанного ячменя позволяет достичь, а в лучшем варианте превысить уровень данного показателя по сравнению с традиционной технологией получения неконцентрированного сусла.
Таблица 10 - Динамика накопления этанола при сбраживании образцов сусла
| Образцы | Крепость дистиллята, % об. | Выход спирта, дал/т усл. крахмала | |||||
| Время сбраживания, час | |||||||
| 60 | 66 | 72 | 60 | 66 | 72 | ||
| К I | 7,18 | 7,49 | 7,55 | 60,1 | 62,7 | 63,2 | |
| K II | 7,21 | 7,47 | 7,58 | 60,3 | 62,5 | 63,4 | |
| O I | 8,70 | 9,15 | 9,68 | 56,6 | 59,5 | 63,0 | |
| O II | 9,21 | 9,77 | 9,78 | 59,9 | 63,6 | 63,6 | |
При изучении процесса брожения, кроме крепости дистиллята, необходимо учитывать накопление в бражке вредных летучих примесей. Ранее показано, что содержание спирта не всегда коррелирует с накоплением вредных летучих примесей в бражке. Выявлено (таблица 11), что не существует значительных отличий в суммарном количестве примесей образцов бражки, полученных из исходного и ИК-обработанного ячменя, в том числе при сбраживании концентрированного сусла. Вместе с тем, следует отметить их перераспределение по группам для различных проб бражки. К примеру, при анализе содержания эфиров в образцах бражки можно отметить, во-первых, что ИК-обработка ячменя повышает значение данных примесей в зрелой бражке в среднем на 10,0-15,0 %. Во-вторых, сбраживание концентрированного сусла также сопровождается большим накоплением в бражке эфиров по сравнению с неконцентрированным.
Выводы
- Установлено влияние режимных параметров ИК-обработки зерна на физические, структурно-механические и биохимические свойства ячменя. Определены допустимые температуры его микронизации в зависимости от исходной влажности зерна.
- Для переработки микронизированного ячменя рекомендован ферментный препарат разжижающего действия Термамил SC с термостабильной -амилазой. Установлено, что он в отличие от других максимально снижает вязкость сред независимо от используемой пробы до определенного значения (0,62-0,65 Н).
Таблица 11 - Сравнительный анализ содержания вредных летучих примесей в образцах бражки
| Основные примеси, мг/дм3 безв.сп. | Образцы | |||||||||||
| Время сбраживания, час | ||||||||||||
| 60 | 66 | 72 | ||||||||||
| К I | K II | O I | O II | K I | K II | O I | O II | K I | K II | O I | O II | |
| Ацетальдегид | 1449,9 | 1087,3 | 1344,7 | 1677,4 | 1504,8 | 1064,4 | 1430,1 | 2532,5 | 1706,6 | 1146,1 | 1774,9 | 2908,5 |
| Этилформиат | 15,2 | 17,2 | 12,9 | 16,0 | 11,6 | 18,8 | 13,8 | 9,7 | 12,5 | 23,6 | 12,1 | 52,5 |
| Этилацетат | 143,5 | 157,4 | 171,1 | 161,3 | 132,5 | 154,1 | 170,8 | 173,2 | 119,8 | 131,8 | 162,3 | 152,5 |
| Метанол, % об. | 0,0033 | 0,0029 | 0,0034 | 0,0035 | 0,0032 | 0,0028 | 0,0035 | 0,0040 | 0,0031 | 0,0035 | 0,0038 | 0,0045 |
| 1-пропанол | 254,1 | 186,0 | 195,6 | 397,9 | 271,1 | 182,1 | 191,9 | 378,8 | 269,5 | 186,2 | 194,8 | 359,5 |
| Изобутанол | 1180,9 | 1058,7 | 990,2 | 1247,3 | 1144,6 | 1050,4 | 1023,5 | 1201,3 | 1122,8 | 1031,5 | 995,7 | 1089,3 |
| Изобутилацетат | 1,6 | 1,9 | 2,7 | 10,8 | 0,6 | 1,1 | 3,8 | 9,5 | 0,9 | 0,7 | 3,1 | 8,6 |
| 1-бутанол | 6,8 | 7,4 | 7,8 | 7,9 | 6,5 | 7,5 | 8,4 | 7,9 | 6,4 | 7,2 | 8,5 | 7,7 |
| Изоамилол | 3909,6 | 3697,9 | 3317,4 | 3282,5 | 3818,8 | 3647,9 | 3445,7 | 3303,8 | 3706,1 | 3445,6 | 3476,4 | 3162,2 |
| Фенилэтилацетат | 5,1 | 6,4 | 8,4 | 9,0 | 4,5 | 6,9 | 10,4 | 9,3 | 5,4 | 6,2 | 9,4 | 10,9 |
| Фенилалкоголь | 3677,1 | 3476,4 | 3239,6 | 1709,7 | 3177,7 | 4159,7 | 3134,3 | 2056,3 | 3398,2 | 4025,8 | 3344,2 | 1841,0 |
| Суммарное кол-во примесей | 10643,8 | 9696,6 | 9290,4 | 8519,8 | 10772,7 | 10292,9 | 9432,7 | 9682,3 | 10348,2 | 10004,7 | 9981,4 | 9592,7 |
- Разработаны две мультэнзимные композиции для получения концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя: МЭК-1, состоящая из Термамила SC и Вискоферма; МЭК-2, в состав которой входят Термамил SC и Нейтраза 0,8 L.
- На основе изучения свойств образцов крахмала, выделенных из исходного и ИК-обработанного ячменя, с использованием системы для микроскопии и анализа LEICA DMLM обоснованы отличия в характере деструкции крахмала сырья под действием различных ферментных препаратов.
- Определены оптимальные параметры получения концентрированного сусла из микронизированного ячменя: гидромодуль - 1 : 2,5, степень дробления – 80 %-ный проход через сито диаметром d = 1,0 мм, дозировки ферментных препаратов амилолитического (0,4 ед АС/г условного крахмала), целлюлолитического (0,2 ед ЦС/г условного крахмала) или протеолитического (0,2 ед ПС/ г условного крахмала) действия.
- Изучено влияние углеводного состава сусла с использованием модельных сред на развитие спиртовых дрожжей S. cerevisiae расы XII и сухих спиртовых дрожжей Ethanol Red. Показано, что процесс культивирования дрожжей и эффективность сбраживания ими сусла зависят не только от его концентрации, но и от углеводного состава (рекомендованы среды с содержанием РВ не более 11,0-14,0 %).
- Определено влияние различных факторов (норма дозировки осахаривающего ферментного препарата, стадия его внесения и норма задачи сухих спиртовых дрожжей Ethanol Red) на процесс сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Предложены: норма дозировки осахаривающего препарата – 10 ед ГлС/г условного крахмала; норма внесения засевных дрожжей – 15-20 млн. клеток/см3 сусла. Лучшим вариантом для образца сусла, полученного с использованием МЭК-1, является дробное внесение Конверзима АМГ-300, с применением МЭК-2 – полностью в осахариватель.
- Установлено, что процесс сбраживания концентрированного сусла, полученного из микронизированного ячменя, характеризуется накоплением большего количества этилового спирта в среднем на 1,5-2,0 % об. по сравнению с контрольными пробами при примерно равном накоплении общего количества вредных летучих примесей (в среднем 9500-10000 мг/дм3 безводного спирта) с их перераспределением по основным группам: большим накоплением эфиров и снижением высших спиртов в опытных образцах по сравнению с контрольными.
- Разработана технология этанола из ИК-обработанного ячменя на основе получения и сбраживания концентрированного сусла, защищенная патентом РФ.
- Осуществлены производственные испытания новой технологии в условиях ГУП Московский опытный завод РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ. Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции для завода мощностью 3000 дал/сут составила 8,29 млн. руб.
Список работ, опубликованных по результатам диссертации
- Сумина, Л.И. Исследование ферментативной атакуемости крахмала ячменя, подвергнутого ИК-нагреву [Текст] / Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова // Сборник материалов студенческой научной конференции «НИРС-2006» под ред. О.Б.Фоменко. – М.: Издат. комплекс МГУПП, 2006. – С. 7-11
- Сумина, Л.И. Влияние режимов ИК-обработки ячменя на его структурно-механические характеристики [Текст] / Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова, В.Я. Черных // Сборник докладов IV международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». – Ч.III. – М.: Издат. комплекс МГУПП, 2006. – С. 28-30
- Лебедева, М.Ю. Подбор ферментного препарата разжижающего действия для получения сусла из ИК-обработанного зерна ячменя [Текст] / М.Ю. Лебедева, Л.И. Сумина // Сборник материалов студенческой научной конференции «НИРС-2007» под ред. Л.А.Крыловой. – М.: Издат. комплекс МГУПП, 2007. – С. 3-7
- Крикунова, Л.Н. К вопросу переработки ячменя в спиртовом производстве [Текст] / Л.Н. Крикунова, Л.И. Сумина, Г.П. Карпиленко // Сборник материалов V юбилейной школы-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». – М.: Издат. комплекс МГУПП, 2007. – С. 192-195
- Крикунова, Л.Н. Способ производства этилового спирта [Текст] / Л.Н. Крикунова, Т.В. Андриенко, Л.И. Сумина // Патент РФ № 2301261. – 20.06.2007. – Бюл. № 17
- Сумина, Л.И. Исследование процесса получения сусла из ИК-обработанного зерна ячменя [Текст] / Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2007. - № 4. – С. 18-21
- Сумина, Л.И. Изучение реологических характеристик при получении концентрированного сусла из ячменя [Текст] / Л.И. Сумина // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2008. - № 3. – С. 33-35
- Сумина, Л.И. Влияние режимов ИК-нагрева ячменя на его технологические свойства [Текст] / Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова, Г.П. Карпиленко // Известия ВУЗов. Пищевая технология. – 2008. - № 4. – С. 38-41
- Костенко, В.Г. Влияние свойств ячменного крахмала на реологическое поведение замесов [Текст] / В.Г. Костенко, Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2008. - № 4. – С. 10-13
- Сумина, Л.И. Влияние степени дробления сырья на получение концентрированного сусла из ячменя [Текст] / Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова // Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания. Материалы научно-практической конференции, посвященной 15-летию технологического факультета воронежского ГАУ им. К.Д. Глинки. – Воронеж: изд-во «Истоки», 2008. – С. 195-198
- Сумина, Л.И. Перспективный метод изучения свойств ячменного крахмала [Текст] / Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова, В.Г. Костенко // Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов. Сборник материалов VI Международной научно-практической конференции. Отв. ред. С.А.Хуршудян. – М.: Издат. комплекс МГУПП, 2008. – С. 59-65
- Сумина, Л.И. Факторы, определяющие процесс получения концентрированного сусла из ячменя [Текст] / Л.И. Сумина // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2009. - № 1. – С. 29-31
- Крикунова, Л.Н. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть I. Подбор мультэнзимной композиции [Текст] / Л.Н. Крикунова, Л.И. Сумина // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2009. - № 2. – С. 51-54
- Крикунова, Л.Н. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть II. Оптимизация процесса получения сусла [Текст] / Л.Н. Крикунова, Л.И. Сумина // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2009. - № 4. – С. 49-54
- Sumina, L.I. Some Aspects of Barley Wort Production in the Distilling Industry [Text]/ L.I. Sumina, L.N. Krikunova, F.-J. Methner, T. Kunz // Materialien zum wissenschaftlichen Seminar der Stipendiaten der Programme “Michail Lomonosov II” und “Immanuil Kant II” 2008/2009. – Moskau, 24-25 April 2009. – S. 224-227
- Сумина, Л.И. Влияние углеводного состава сусла на развитие спиртовых дрожжей [Текст] / Л.И. Сумина, Л.Н. Крикунова // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2009. – № 3. – С. 10-11
- Крикунова, Л.Н. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть III. Изучение процесса сбраживания сусла [Текст] / Л.Н. Крикунова, Л.И. Сумина // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2009. - № 9. – С. 42-45
