Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1 Современное состояние проблемы обеспечения белоксодержащими продуктами кормового и пищевого назначения 12
1.2 Основные свойства и функции белков 15
1.2.1 Аминокислоты .17
1.2.2 Растительный белок .21
1.3 Способы производства этилового спирта и белкового продукта 27
1.3.1 Способы получения спирта и белкового концентрата из зерна пшеницы, с разделением зернового сусла на две фракции 28
1.3.2 Способы производства глютена и питательной среды для культивирования микроорганизмов из зернового сырья .29
1.3.3 Способ производства этилового спирта с разделением на фракции цельного сусла 31
1.3.4 Способы утилизации послеспиртовой зерновой барды 32
1.4 Комплексные технологии переработки зернового сырья с получением крахмала .33
1.4.1 Выделение кукурузного крахмала 36
1.4.2 Выделение пшеничного крахмала 37
1.5. Технология получения спирта из зернового сырья 40
1.5.1. Водно-тепловая обработка зерна (разваривание) 42
1.5.2 Экструзионный метод обработки зерна 44
1.6 Ферментные препараты для биокатализа полимеров зернового сырья в спиртовом производстве .49
1.6.1 Амилолитические препараты .51
1.6.2 Протеолитические препараты 52
1.6.3 Ферментные препараты геммицеллюлазного действия .54
1.7. Заключение по обзору литературы .55
Глава 2 Материалы и методы исследований 57
2.1 Объекты исследований 57
2.2 Методы исследований 58
Глава 3 Исследование процесса разделения зернового сусла на твердую и жидкую фракцию в комплексной технологии спиртового производства 61
3.1 Исследование процессов разделения в центробежном поле зернового сусла, полученного по экструзионно-гидролитической технологии 61
3.2 Исследование экструзионно-гидролитических режимов переработки зернового сырья (пшеница) 68
3.3 Определение оптимальной концентрации зернового сусла для разделения на фракции 73
3.4 Исследование возможности сокращения потерь углеводов с твердой фракцией (осадком) при ее промывании 76
Глава 4 Исследование влияния ферментных препаратов на свойства зернового сусла 85
4.1 Исследование влияния ферментных препаратов гемициллюлазного действия на свойства зернового сусла 85
4.2 Исследование влияния протеаз на свойства зернового сусла 89
4.3 Исследование влияния комплекса ферментов (а- амилаза, глюкоамилаза, гемициллюлаза, протеаза) на свойства зернового экструзионного сусла 99
Глава 5 Разработка технологии получения белкового концентрата и этанола 105
5.1 Оценка качества осветленного сусла и белкового продукта, полученных по разработанной технологии 105
5.2 Разработка аппаратурно-технологической схемы 111
Глава 6 Расчет экономического эффекта от внедрения экструзионно-гидролитической технологии получения спирта и белка 115
6.1. Расчет продукта на 1000 кг зерна 115
6.2. Расчет и подбор оборудования по схеме разделения зернового сусла .116
Основные выводы и результаты 122
Список использованной литературы 124
Список сокращений 143
Список приложений 144
- Растительный белок
- Исследование процессов разделения в центробежном поле зернового сусла, полученного по экструзионно-гидролитической технологии
- Исследование влияния протеаз на свойства зернового сусла
- Разработка аппаратурно-технологической схемы
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В современном мире имеется существенный дефицит белка, который не может быть восполнен только традиционными сельскохозяйственными методами. Многие направления развития биотехнологии тесно связаны с решением этой проблемы. В последнее время, за рубежом, а также в нашей стране значительное число научных и практических разработок посвящено биотехнологическим способам получения белковых добавок кормового и пищевого назначения из зернового сырья и вторичных продуктов его переработки.
Приоритетным направлением развития производства топливного биоэтанола
на основе возобновляемого растительного сырья является создание
ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих его глубокую комплексную переработку. При производстве этанола используется зерновое сырье, в котором наряду с высоким содержанием крахмала присутствуют белковые вещества (5-26%) практически не реализуемые в технологии.
Промышленные технологии производства этанола в РФ не предусматривают
многопродуктовые схемы переработки зерна на спирт и белок. В тоже время при
производстве этанола остро стоит вопрос утилизации вторичных продуктов его
переработки. Традиционные способы обработки зернового сырья достаточно
длительны и позволяют достичь максимальной концентрации сусла не более 24%
растворимых сухих веществ. Экструзионно-гидролитическая технология
позволяет заменить длительные и многостадийные процессы на одностадийные, и
получать концентрацию зернового сусла больше 30%, что приводит к экономии
времени, электроэнергии, производственных площадей и увеличению
рентабельности производства.
Поэтому, проблема создания ресурсосберегающей технологии глубокой переработки зернового сырья на основе экструзионно-гидролитических и ферментативных процессов приготовления высококонцентрированного зернового сусла с выделением дополнительного кормового белкового продукта является актуальной.
Степень разработанности проблемы. Проведенные исследования
основаны на научно-теоретических и экспериментальных трудах ученых: С.В. Вострикова, Г.И. Воробьевой, А.И. Жушмана, В.Г. Карпова, В.П. Леденева, Л.В. Римаревой, В.И. Степанова, Е.М. Сербы, В.П. Юрьева и других ученых, работающих над этой проблемой. В этих работах исследовались проблемы создания ресурсосберегающих технологий спирта на основе биокаталитических, экструзионно-гидролитических процессов конверсии зернового сырья на спирт и кормопродукты. Показана возможность получения зерновых гидролизатов с высоким содержанием растворимых сухих веществ для спиртового производства. Однако 2-х продуктовые схемы переработки зернового сырья рассматривались
только на низкоконцентрированных средах. Анализ имеющихся литературных данных выявил проблемы, существующие в данной области, что позволило обосновать перспективность настоящих исследований, сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлась разработка комплексной, ресурсосберегающей технологии получения белкового концентрата и этанола на основе интеграции термомеханического и биокаталитического процессов глубокой переработки зернового сырья.
В соответствие с поставленной целью решались следующие задачи:
-провести исследования процессов фракционного разделения зернового сусла, полученного по экструзионно-гидролитической технологии;
-изучить основные технологические параметры комплексной экструзионно-гидролитической переработки зернового сырья;
-исследовать изменения содержания углеводов в твердой фракции и промывных водах, при промывках твердого осадка, получаемого в результате центробежного разделения зернового сусла;
-исследовать влияние процессов ферментативного гидролиза полимеров деструктированного зернового субстрата на качество сусла и эффективность разделения;
- оценить выделенный денатурированный белок на биологическую полноценность;
-исследовать процессы генерации дрожжей на осветленное зерновое сусло и сбраживания осветленного зернового сусла;
-разработать аппаратурно-технологическую схему комплексной,
ресурсосберегающей технологии с необходимым составом оборудования для получения высококачественного этилового спирта и денатурированного белка на основе экструзионно-гидролитических процессов глубокой переработки зерна.
Научная новизна Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден
новый способ двухпродуктового производства пищевого этилового спирта и
денатурированного белка, на основе экструзионно-гидролитической и
биокаталитической переработки крахмалосодержащего сырья, который дает возможность получать зерновые гидролизаты с высоким содержанием растворимых сухих веществ (до 40%) и рационально использовать компоненты сырья.
Научно обоснованы параметры разделения зернового сусла на жидкую (осветленное сусло) и твердую фракцию. При этом установлено влияние режимов экструзионно-гидролитической переработки зерна на процесс разделения зернового сусла. На модельных средах исследовано влияние ферментных препаратов на реологические свойства зернового сусла, изучены процессы и определена оптимальная концентрация сусла для эффективного разделения.
Установлено влияние качества осветленного сусла на процессы генерации и метаболизм дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Установлена зависимость содержания углеводной и белковой составляющих в твердой фракции от гидромодуля зернового сусла и количества промывок осадка. Проведена оценка пищевого достоинства полученного денатурированного белка. Техническая новизна подтверждена патентом РФ №2542389.
Теоретическая и практическая значимость работы. На основе экструзионно-гидролитических и ферментативных процессов разработана комплексная ресурсосберегающая технология глубокой переработки зернового сырья на спирт по двухпродуктовой схеме, которая при сохранении качества спирта позволяет:
производить дополнительный белковый продукт на основе зернового сырья, используемого при производстве спирта
получать денатурированный белок пригодный для пищевых и кормовых целей и высококачественный спирт
заменить длительные водно-тепловые процессы с емкостными аппаратами на одностадийное интенсивное оборудование
сократить продолжительность технологических операций по переработки зернового сырья на 50%
снизить производственные энергозатраты за счет новых принципов переработки зернового сырья (двухпродуктовое безотходное производство)
повысить эффективность емкостного оборудования бродильного и ректификационного отделений спиртовых заводов
Разработана аппаратурно-технологическая схема и нормативная документация на белоксодержащий кормопродукт и пищевой белковый концентрат «Аминэкс».
Методология и методы исследования.
Объекты исследований. В качестве объектов использовали: зерно пшеницы; зерновое сусло; осветленное зерновое сусло; осмофильные дрожжи Saccharomyces cerevisiae расы 1039, селекции ВНИИПБТ; белоксодержащий осадок, промывные воды. В качестве гидролитических ферментов использовали ФП - источники термостабильной а-амилазы, глюкоамилазы, бактериальной и грибной протеазы, гемицеллюлаз.
Технологическое оборудование. Переработку зернового сырья осуществляли на пилотной установке, разработанной на базе экструдера Werner&Pfleiderer Continua 37. Физико-химические показатели зерна, гидролизатов зернового сырья, бражки определяли в соответствие «Инструкции по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства». Определение побочных метаболитов спиртового брожения осуществляли газохроматографическим методом на хроматографе НР "Agilent" 6850; массовую
долю влаги - на влагомере ML-50; массовую долю белка в зерне, сусле и его
фракциях - на автоматической установке для разложения по методу Къельдаля
TURBOTHERM; аминокислотный состав белкового осадка - на автоматическом
аминоанализаторе KNAUER Advanced scientific instruments с предварительным
гидролизом белков в запаянных ампулах. Реологические свойства зернового сусла
оценивали путем измерения динамической вязкости методом вибрационной
вискозиметрии с использованием синусоидального вибровискозиметра серии SV –
10 и программного обеспечения RsVisco. Разделение сусла на фракции
осуществляли в осадительной лабораторной центрифуге с фактором разделения – 3100g. Экспериментальная работа была построена на основе анализа принципов разделения зернового сусла (на твердую и жидкую фракции) и твердого осадка, с целью исследования их свойств.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технология разделения концентрированного зернового сусла на жидкую
(осветленное сусло) и твердую фракцию.
2. Научно обоснованные требования к составу ферментного комплекса и
условиям ферментативной обработки, обеспечивающие формирование
заданных свойств зернового сусла, процессы генерации дрожжей и
спиртового брожения.
-
Эспериментальное обоснование параметров экструзионно-гидролитических режимов и диапазона концентраций зернового сусла на эффективность выделения твердой белоксодержащей фракции.
-
Ресурсосберегающая биотехнология двухпродуктового производства этанола и белкового концентрата пищевого и кормового назначения. Степень достоверности и апробация результатов. Опыты проводили в
трехкратной повторности. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили методами однофакторного и двухфакторного дисперсионного анализа, и апостериорного анализа по критерию Тьюки при уровне значимости =0,05 с использование программы Statistica 6.0.
Основные результаты работы были представлены на VIII Международной
научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и
биологическая безопасность населения» (М., 2010), 5-ой Конференции молодых
ученых и специалистов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной
продукции Россельхозакадемии 12 октября 2011 года, ГНУ ВНИИЗ
Россельхозакадемии, г. Москва «Современные методы направленного изменения
физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для
производства продуктов здорового питания», VI-ого Международного научно-
практического симпозиума «Перспективные ферментные препараты и
биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов» (М.,
2012), Материалы международной конференции «Биология наука ХХI века» (М.,
2012), сборник статей V Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых, аспирантов и студентов. «Инновационные процессы в АПК» (М.,2013), сборник научных трудов VII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов научно-исследовательских институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии (М.,2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 5 в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент РФ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности Результаты научных исследований соответствуют пунктам 4,7,11 паспорта специальности 03.01.06
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 160 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков и 24 таблицы. Библиография включает 163 наименования, из них 52 иностранных источника.
Личный вклад автора заключается в формулировании и разработке основных положений диссертации, постановке цели и задач исследований, планировании экспериментов и непосредственном выполнении исследований, анализе и обобщении полученных результатов, и их оформлении в виде научных публикаций и докладов, нормативной документации.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю академику РАН, д.т.н., профессору Л.В.Римаревой, а также заведующему отделом к.т.н. В.И. Степанову, сотрудникам отдела к.т.н. В.В. Иванову, к.т.н. А.Ю. Шарикову, Н.И. Игнатовой за оказанную практическую и консультативную помощь.
Растительный белок
Растительный белок – белок, который содержится в продуктах растительного происхождения. Среди растительных источников второе место по содержанию белка занимают зерновые культуры, первое место отдано сое. [8, 20, 47, 70, 124] Спиртовая промышленность России ежегодно перерабатывает огромное количество зернового сырья для получения этилового спирта и использует для производства только его крахмалистую часть, а остальные компоненты зерна не учитываются и как следствие образуется большое количество отходов. Научно-исследовательские институты России ведут работы по совершенствованию технологии получения этанола и созданию новых способов переработки отходов производства спирта. Одним из решением данной проблемы является создание комбинированных технологий производства спирта, где будут использоваться все составляющие зернового сырья. [27, 33, 47, 79, 86].
Как известно, что наряду с содержанием крахмала еще одной из важных характеристик зерна является содержание в нем белка. Содержание белка в зерновых культурах колеблется от 5 до 26 %. У зерновых белок в основном сосредоточен в плоде злаковых, который называется зерновкой. Зерновка состоит из трех основных частей: эндосперма, зародыша, оболочек (верхняя плодовая и нижняя семенная). Эндоспермом называется внутренняя часть зерновки, белка здесь содержится меньше, чем в зародыше и алейроновом слое. Белок здесь формируется в виде прослоек между крахмальными гранулами и распределен неравномерно, в его центральной части содержится белка меньше чем в периферических слоях. Слой эндосперма, прилегающий к семенной оболочке, называется алейроновым слоем, здесь содержится основное количество белка. Клетки алейронового слоя заполнены белком – алейроном, минеральными веществами, жиром. Наибольшее количество белка сосредоточено в зародыше, где помимо белков содержатся сахара и жиры. Величина массовой доли белковых веществ в зерне и семенах во многом определяет биологическую ценность продуктов, получаемых при технологической переработке. [1, 16, 23, 46, 47, 54, 68, 70, 107]
В зерне обнаружены белки, которые подразделяются на четыре класса в соответствии с их растворимостью: альбумины, глобулины, проламины, глютелины. На альбумины приходится 20 – 22 %, на глобулины 5 – 6 %. Альбумины и глобулины сконцентрированы в алейроновых клетках, отрубях, зародыше и, в меньшей степени, в эндосперме. С точки зрения пищевой ценности альбумины и глобулины характеризуются хорошо сбалансированным составом аминокислот – относительно высоким содержанием лизина, триптофана и метионина, в зерновых культурах эти аминокислоты встречаются в малых количествах. [46, 47, 70, 71, 101, 104, 139] Проламины и глютелины в зерновых культурах играют роль запасных белков. Растения накапливают запасные белки для того, чтобы использовать их при прорастании зародыша. Эти белки содержатся только в эндосперме зерновых культур или семядолях, в зародыше их нет. Запасные белки являются важным источником в питании человека и животных. Различные белки были обнаружены даже в скелетной перегородке, которая окружает клетку, эти белки свойственны любой растительной клетке. [71, 73, 104]
На растительные белки приходится две трети потребления белков в мировом масштабе. Растительные белки почти не употребляются в чистом виде, как животные белки, чаще всего их используют в комплексе с другими продуктами питания. Из-за отсутствия у некоторых растительных белков важных аминокислот возникает необходимость для сбалансированного рациона обогащать их животными белками. Растительные белки применяются в производстве продуктов лечебно-профилактического и диетического назначения, детского питания за счет их хорошей усвояемости и высокой биологической ценности, так как растительные белки не содержат холестерина и насыщенных жиров в отличие от животных. [25, 26, 71, 124, 155]
Наибольшее применение растительные белки находят в текстурированной форме, так как в таком виде они не снижают белковой ценности продукта, нейтральны по вкусу, легки в употреблении. На Западе были проведены исследования по получению из текстурированных растительных белков продуктов, структура которых была близка к структуре мяса. Из полученного продукта готовили пищевые продукты с различными вкусами. [71, 112, 162]
Таким образом, в целях повышения биологической ценности, улучшения качества, а также для придания пищевым продуктам диетических свойств и лечебного назначения, возникла проблема обогащения продуктов питания растительным белком. [26, 113, 155, 162]
Пшеничный белок
В настоящее время зерновые злаки среди растительных источников белоксодержащего сырья, являются основным поставщиком белков в питании населения, после сои. Пшеница самая важная продовольственная культура и одна из древнейших сельскохозяйственных культур. Она произрастает практически во всех странах мира, имеет высокую урожайность, содержит большое количество эндосперма (80-84% от массы зерна), что дает возможность при переработке зерна получать высокий выход сортовой муки и поэтому продукцию из пшеницы используют чаще всего. Свойства белкового, углеводного и ферментативного комплекса пшеницы также являются ценными. В производстве России пшеница занимает первое место. [11, 20, 26, 122]
Основным показателем качества зерна является содержание в нем белка. Белок определяет ее энергетические и питательные свойства для производства пищевых и кормовых продуктов. Широкое использование зерна пшеницы для получения белковых продуктов объясняется, достаточно высокой биологической ценностью ее компонентов (белков, липидов), уникальностью физико-химических свойств белковых фракций, при добавлении воды они способны образовывать гидратированный гель-клейковину (сырая клейковина нормального зерна пшеницы содержит 170-210 % воды по отношению к сухому веществу в зависимости от ее сорта и свойств). В связи с этим за рубежом, а также в нашей стране значительное число научных и практических разработок посвящено способам выделения белковых продуктов из зерна пшеницы: сухой клейковины, концентратов, изолятов, изучению их функциональных свойств и методам регулирования последних. [26, 70, 122, 141, 143]
Пшеничные белки состоят из комплекса простых – протеинов, и сложных – протеидов, которые в свою очередь состоят из молекул аминокислот, связанных между собой пептидными связями. При исследовании макроструктуры белка непосредственно в эндосперме зерна пшеницы с помощью оптической, ультрафиолетовой и электронной микроскопии показано существование двух белковых фракций - цвикельпротеина (промежуточного белка) и хафпротеина (прикрепленного белка). Цвикельпротеин, выделенный из муки, легко набухает в воде и образует типичную сырую клейковину. Это дает основание считать, что промежуточный белок является синтезированным веществом, из которого при его гидратации образуется клейковина. [25, 67]
На качество белка пшеницы существенное влияние оказывает выработка растением высокомолекулярного белка глютена. В зависимости от сорта пшеницы, почвенно-климатических и агротехнических условий ее возделывания общее количество белка в пшенице колеблется в широких пределах – от 9,2 до 25,8 % (в среднем 13,5 %), две трети которых приходятся на долю глиадина и глютенина, основные компоненты глютена [25, 54, 67, 70, 98]
Глиадиновая и глютелиновая фракции существенно отличаются по своим свойствам (размером макромолекул, молекулярной массой, реологическими свойствами). Глютелиновая фракция связывает около 80% липидов, содержащихся в клейковине. Эти белки могут адсорбировать некоторые ферменты. Зерно твердой пшеницы содержит белков больше, чем зерно мягкой. [25, 67, 70, 98]
Чем больше в зерне (муке) белков, тем выше количество отмываемой клейковины. В основу клейковины входят набухшие белковые вещества, а в основу ее сухого вещества входят не только белки, но и крахмал, клетчатка, зольные элементы, сахара и липиды. При обычном способе отмывания клейковины в ней может содержаться до 75-90 % белка, остальные 10-25 % составляют крахмал, клетчатка, зольные элементы, сахара и липиды, которые находиться в клейковине в связанном виде в форме адсорбционных комплексов. [28, 145]
Исследование процессов разделения в центробежном поле зернового сусла, полученного по экструзионно-гидролитической технологии
На данном этапе для разработки способа комплексной переработки зерна на этанол и белковый продукт были исследованы процессы разделения в центробежном поле зернового сусла, полученного по экструзионно-гидролитической технологии. Исследования проводили по разработанной схеме комплексной переработки зернового сырья, состоящей из двух этапов (рис.2).
На первом этапе получали зерновое сусло по экструзионно-гидролитической технологии. Измельченное зерно (измельчение зерна осуществляли на молотковой дробилке, проход через сито 0=1 мм составлял 70 %) поступало в термомеханическую камеру экструдера-гидролизатора, где происходили деструктивные процессы полимеров зернового сырья и в результате полученный экструдат, приобретал легкорастворимое состояние и обладал высокой ферментативной атакуемостью. В следующую зону камеры вместе с расплавом деструктированной крахмалосодержащей массы подавались разжижающие ферменты: а-амилаза 3 ед./г крахмала, глюкоамилаза 8 ед./г крахмала, комплексная ксиланаза 0,3 ед./г сырья и вода. При стабилизированном температурном режиме (60-70 С) происходило растворение, частичный ферментативный гидролиз крахмала, гемицеллюлозы и белков с образованием разжиженной разваренной массы. Концентрация сухих веществ полученного зернового сусла составила 23 %. На втором этапе полученное сусло разделяли в осадительной лабораторной центрифуге с фактором разделения 3100g (число оборотов ротора 5000 об/мин).
При разделении образовалось две фракции: жидкая (осветленное сусло) и твердая (белоксодержащий осадок). Данные по разделению и содержанию белка во фракциях зернового сусла представлены в таблице 3. В результате разделения зернового сусла на фракции выход осветленного сусла составил 44 % от общей массы зернового сусла, а твердой фракции – 56 %. Во всех образцах (экструдат из зерна пшеницы, осветленное сусло, твердый осадок) было определено содержание белка. Анализ данных показал, что содержание белка в экструдате 11,5 %, в осветленном сусле 1,95 %, в твердой фракции 15,5 %. Такое содержание белка в твердой фракции для получения концентрированного белоксодержащего продукта очень низкое, необходимо чтобы белка содержалось около 30-35 % а.с.в.
Для того чтобы определить, как распределился белок при разделении зернового сусла был произведен расчет баланса белка во всех образцах. Для расчета баланса использовались данные таблицы 3
Расчет баланса производился на 100 г. экструдата полученного из зерна пшеницы:
1. Количество сухого вещества в 100 г. экструдата при его влажности 9,34 % составит:
100 х 0,9066 = 90,66 г.
Количество белка в сухом веществе экструдата: 90,66 х 0,115 = 10,4 г.
2. Количество сусла, полученного из 100 г. экструдата при гидромодуле 1:2,5 составит:
100 + 250 = 350 г. Количество твердого осадка при разделении зернового сусла составило 56 %:
350 х 0,56 = 196 г. Содержание в нем сухого вещества 32,9%:
196 х 0,329 = 64,5 г. Содержание белка в сухом веществе 15,5 %:
64,5 х 0,155 = 10,0 г.
3. Количество осветленного сусла при разделении зернового сусла составило 44 %:
350 х 0,44 = 154 г. Содержание в нем сухого вещества 22,0%:
154 х 0,23 = 35,4 г. Содержание белка в сухом веществе 1,95 %:
33,9 х 0,0195 = 0,66 г. 4. Баланс по белку при разделении зернового сусла составит
Твердый осадок с концентрацией сухих веществ 32,9 % высушивали при температуре 50 0С до влажности 8,4 %, а затем измельчали на молотковой дробилке.
Осветленное сусло с концентрацией растворимых сухих веществ 23% сбраживалось дрожжами Saccharomyces cerevisiae расы 1039 для получения этилового спирта. В качестве контроля использовалось не разделенное зерновое сусло. Объемная концентрация спирта после 72 часового брожения составила 12,4 %. Результаты брожения приведены в таблице 4.
Результаты исследований подтвердили, что процесс сбраживания фильтрата зернового сусла (осветленное сусло), полученного из экструзионного сырья, обработанного подобранным ферментным комплексом, проходил эффективнее, чем в контрольном варианте, где использовалось цельное сусло из экструзионного сырья. Скорость брожения была выше, что следует из % выше, чем в контроле. Следует отметить также повышение концентрации спирта и одновременно снижение содержания побочных метаболитов на 28,8 %.
Таким образом, сбраживание выделенной жидкой фракции (осветленное сусло) содержащей продукты гидролиза крахмала, показало возможность получения этилового спирта высокого качества. Однако при этом происходит снижение выхода спирта. По-видимому, это вызвано тем, что при разделении цельного сусла на фракции часть крахмала переходит в твердую фракцию, что и приводит к снижению производства этилового спирта на 50% из единицы перерабатываемого зернового сырья.
Для определения возможного снижения выхода спирта, вызванного потерей крахмала перешедшего при разделении цельного сусла в твердую фракцию был проведен расчет выхода спирта из одной тонны зерна.
Результаты расчета базировались на полученных экспериментальных данных по брожению зернового сусла, подготовленного различным способом (табл. 4)
1. Количество зернового сусла полученного из 1 тонны зерна при гидромодуле 1:2,5 составит: 1000 + 2500 = 3500 кг
2. Количество спирта полученного из 1 тонны зерна без разделения зернового сусла при полученной концентрации спирта в бражке 11,5 % составит:
3500 х 0,115 = 403 л = 40,3 дал/ т. Зерна
3. Количество спирта полученного из 1 тонны зерна из фугата зернового сусла при полученной концентрации спирта в бражке 12,4 % составит: Выход осветленного сусла при разделении зернового сусла составляет 44 %
3500 х 0,44 = 1540 л
Количество спирта составит:
1540 х 0,124 = 191 л = 19,1 дал
4. Количество спирта недополученного из 1 тонны зерна, находящегося в твердой фракции полученной при разделении зернового сусла составит:
Выход твердой фракции при разделении зернового сусла составляет 56 %
3500 х 0,56 = 1960 л
При влажности твердой фракции 67,1 % его жидкая часть составит:
1960 х 0,671 = 1315 л
Количество растворимых сухих веществ составит:
19600,23=450 л
Количество жидкой части с растворимыми сухими веществами составит:
1315+450 = 1765 л.
Количество спирта из этой части составит:
1765 х 0,124 = 218 л = 21,8 дал
Таким образом, при производстве спирта и белоксодержащего продукта по экструзионно-гидролитической технологии с разделением на жидкую и твердую фракцию количество недополученного спирта из 1 тонны зерна, составит 21,8 дал. Это то количество спирта, которое недополучено из крахмала осевшего при разделении зернового сусла в твердой фракции. При этом показатели полученного этилового спирта из осветленного сусла высокого качества.
В связи с перечисленными недостатками и достоинствами разработанной технологии для определения оптимальных условий получения белкового продукта и спирта была поставлена следующая задача: необходимо максимально перевести сахара из твердой фракции в жидкую фракцию, тем самым увеличить выход получаемого этилового спирта и повысить количество белка в твердой фракции, для получения полноценного белкового продукта.
Исследование влияния протеаз на свойства зернового сусла
Как известно из литературных источников, применение протеолитических ферментных препаратов позволяет эффективно задействовать белковые полимеры зернового сырья, обеспечивая глубокий гидролиз белков до аминокислот и низкомолекулярных пептидов, обогатить сусло усвояемыми азотистыми веществами, нарастить высокую концентрацию засевных дрожжей, и как следствие, ускорить процесс спиртового брожения.
На данном этапе исследований изучали влияние протеолитических ферментов на разделение зернового сусла с концентрацией 33% РСВ, реологические свойства зернового сусла, динамику процесса спиртового брожения и выход спирта.
В экспериментальных исследованиях были использованы следующие ферментные препараты: – амилаза, глюкоамилаза, бактериальная протеаза, грибная протеаза. Характеристики данных ферментных препаратов представлены в таблице 12.
На начальном этапе исследований был осуществлен подбор оптимальной дозировки бактериальной протеазы и изучено влияние грибной протеазы по степени воздействия на белковые вещества зернового сусла. Грибная протеаза вносилась в осветленное сусло, полученное в результате разделения зернового сусла на фракции. Тестирование проводили по уровню образования растворимых белков и аминного азота. Полученные данные представлены на рисунках 9, 10 и в таблицах 13, 14.
Анализ данных показал, что при увеличении дозировки бактериальной протеазы происходит накопление аминного азота, это указывает на расщепление высокомолекулярных белковых веществ сусла с образованием более коротких пептидов. Так при увеличении дозировки бактериальной протеазы с 0,05 ед. ПС/г сырья до 0,15 ед. ПС/г сырья наблюдалось увеличение концентрации белка в 1,5 раза с 5,95 мг/мл до 8,79 мг/мл. Дальнейшее увеличение дозировки с 0,15 ед. ПС/г сырья до 0,5 ед. ПС/г сырья не привело к существенному увеличению концентрации белка, следовательно, достаточно 0,15 ед. бактериальной протеазы.
Внесение грибной протеазы во все варианты осветленного сусла позволило повысить концентрацию аминного азота (табл. 14), уровень которого составил 18,6 – 42 мг %.
Таким образом, обработка осветленного сусла грибной протеазой позволяет повысить содержание аминного азота на 29 % и обеспечить дрожжи азотистым питанием.
На следующем этапе исследовали влияние протеаз на реологические свойства зернового сусла и эффективность его разделения на твердую и жидкую фракцию. Изначально изучали влияние протеолитических ферментов на степень разделения зернового сусла. Разделение зернового сусла на фракции осуществляли в лабораторной центрифуге с фактором разделения 3100 g. Данные о влиянии протеаз на степень разделения зернового сусла представлены в таблице 15.
В таблице представлены средние значения по результатам трех измерений с указанием стандартного отклонения. Данные для группы значений осветленного сусла и твердого осадка с различными буквенными индексами достоверно различны при уровне значимости =0,05
Результаты исследования воздействия протеолитических ферментов на степень разделения зернового сусла показали не существенное влияние бактериальной протеазы на эффективность разделения. Существенное отличие между выходами осветленного сусла наблюдалось при 60 минутах центрифугирования, без внесения протеаз выход составил 9,3 % от общей массы зернового сусла, а с внесением протеаз – 16 %.
При сравнении результатов влияния протеаз и геммицеллюлаз на степень разделения зернового сусла, можно сделать вывод, что использование протеаз с целью увеличения выхода осветленного сусла не целесообразно. Так при использовании геммицеллюлаз процент отделения осветленного сусла увеличивается уже на 15 минутах центрифугировании в 80 раз, а при использовании протеаз на 60 минутах только в 1,5 раза. Сравнительные данные представлены в таблице 16
В таблице представлены средние значения по результатам трех измерений с указанием стандартного отклонения. Данные в каждом столбце с различными буквенными индексами достоверно различны при уровне значимости =0,05
Из таблицы видно, что реологические свойства зернового сусла улучшаются, но незначительно, вязкость снизилась с 1,27 Пас до 1,13 Пас. Сравнивая показатели вязкости образцов при внесении в зерновое сусло геммицеллюлаз и образцов, содержащих протеазы, видно, что геммицеллюлазы в разы снижают вязкость сусла.
Данные представлены на рисунке 11. Следовательно, использование протеаз для улучшения реологических свойств зернового сусла не целесообразно.
Так как известно, что протеазы ускоряют процесс брожения, за счет обогащения зернового сусла усвояемыми азотистыми веществами, был проведен сравнительный анализ брожения зернового сусла без протеаз и с добавлением протеаз (табл. 18).
Полученные сравнительные данные по биохимическим показателям спиртового брожения зернового сусла, представленные в таблице 18, свидетельствуют о положительном влиянии протеаз на процесс брожения. Зерновое сусло, обработанное протеазами, сбраживалось эффективнее, чем контроль, необработанный протеазами. Скорость брожения была выше, что следует из показателей содержания РВ. Следует отметить также повышение концентрации спирта и одновременно снижение содержания побочных метаболитов в 2 раза.
Разработка аппаратурно-технологической схемы
На основании проведенных исследований обосновано разделение цельного зернового сусла и проведение двух промывок твердого белкового осадка.
Основным преимуществом предлагаемой ресурсосберегающей технологии является возможность реализации двухпродуктового производства спирта и белоксодержащего продукта. Еще одним преимуществом данной технологии является возможность перехода от многостадийных процессов водно-тепловой обработки к одностадийным с использованием экструзионно-гидролитической технологии. При использовании экструзионно-гидролитической технологии полностью отсутствует постадийное перекачивание от аппарата к аппарату жидких полупродуктов получаемого зернового сусла. В результате из экструдера– гидролизатора разваренная разжиженная масса поступает непосредственно в осахариватель без использования насосной техники, что полностью исключает риск образования клейстерных заторов.
Ресурсосберегающая технология переработки зернового сырья в белковый концентрат и этанол состоит из нескольких этапов:
- получение зернового сусла по экструзионно-гидролитической технологии;
- разделение сусла на фракции и двукратная промывка твердого осадка;
- получение этанола и белкового концентрата;
Процесс получения зернового сусла по экструзионно-гидролитической технологии осуществлялся следующим образом:
Измельченное зерно поступало в термомеханическую камеру экструдера-гидролизатора, где осуществлялись деструктивные процессы полимеров зернового сырья. В следующую зону камеры вместе с расплавом деструктированной крахмалосодержащей массы подавались разжижающие ферменты: -амилаза из расчета 3 ед./г крахмала, ксиланаза - 0,5 ед. КС/г сырья, бактериальная протеаза (БП) - 0,15 ед. ПС/ г сырья, и вода через специальный гидродинамический узел с форсунками. При стабилизированном температурном режиме, температура которого составляет 60-70 С, происходило растворение, частичный ферментативный гидролиз крахмала, гемицеллюлозы и белков с образованием разжиженной разваренной массы. При этом обеспечивалась высокая стерильность полученной разваренной массы, гомогенной консистенции и однородной реологической структуры. Полученная крахмалосодержащая масса подавалась в сборник - осахариватель, куда одновременно дозировали глюкоамилазу из расчета 12 ед. ГлС/ г крахмала. Осахаривание проводилось в термостатированном аппарате в течение 1,5 часов при температуре 58С. Концентрация растворимых сухих веществ в цельном зерновом сусле составила 33 %.
На втором этапе, полученное по экструзионно-гидролитической технологии цельное зерновое сусло с концентрацией сухих веществ 33% разделили на две фракции: осветленное сусло и твердый осадок. Разделение сусла на фракции осуществляли в осадительной лабораторной центрифуге с фактором разделения -3100g. (число оборотов ротора 5000 об/мин). Полученное осветленное сусло с концентрацией сухих веществ 33 % поступало в сборник осветленного сусла. (рис. 16 и рис. 17)
Полученный твердый осадок промывали водой в соотношении 1:1 и разделяли на фракции на осадительной лабораторной центрифуге. При разделении получали промывные воды и твердый осадок. Промывные воды с концентрацией растворимых сухих веществ 13,7% соединяли с осветленным суслом, полученным после разделения цельного сусла, концентрация которого составляла 33%. (рис. 16 и рис. 17). В результате концентрация осветленного сусла при смешении сусла с концентрацией 33 % и промывной воды с концентрацией 13,7 % в сборнике составила 21%. В это осветленное сусло вносилась грибная протеаза из расчета 0,25 ед. ПС/г сырья и проводился гидролиз.
Гидролиз осветленного сусла грибной протеазой проводили в течение часа при температуре 55 0С. Подготовленное таким образом осветленное сусло засевали дрожжами Saccharomyces cerevisiae 985-Т и ставили на брожение для получения этилового спирта.
Затем проводилась вторая промывка твердого осадка водой, полученного после первой промывки, с гидромодулем 1:1 и разделение его центрифугированием на твердый осадок и промывную воду. Из полученного твердого осадка получали белковый продукт, которым обогащают барду для животноводства и производят пищевой белок «АМИНЭКС» Полученные промывные воды с концентрацией растворимых сухих веществ 4,4% возвращали в производство, непосредственно в экструдер гидролизатор (рис. 16 и рис. 17).
На рисунке 16 представлена процессуально-материальная схема переработки зерна на спирт и денатурированный белок с использованием экструзионно-гидролитической технологии.
В результате проведенных работ разработана аппаратурно-технологическая схема типовой линии переработки зерна на спирт и денатурированный белок с использованием экструзионно-гидролитической технологии переработки зерна Данная схема представлена на рисунке 17.