Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Топинамбур — перспективная сельскохозяйственная культура 10
1.2. Биохимический состав клубней топинамбура 12
1.3. Хранение топинамбура 18
1.3.1. Способы и режимы хранения топинамбура 18
1.3.2. Изменения в углеводном комплексе топинамбура при хранении 19
1.4. Получение этилового спирта из топинамбура 22
1.4.1. Экономическая эффективность производства этилового спирта из топинамбура 22
1.4.2. Способы подготовки топинамбура к сбраживанию 23
1.4.2.1. Кислотный гидролиз инулина топинамбура 23
1.4.2.2. Ферментативный гидролиз инулина топинамбура 25
1.4.2.3. Комплексные способы гидролиза инулина топинамбура 27
1.4.3. Сбраживание сусла из топинамбура 28
1.4.3.1. Использование различных рас дрожжей и других микроорганизмов для сбраживания сусла из топинамбура 29
1.4.3.2. Технологические режимы сбраживания 30
1.5. Выводы, цели и задачи исследования 33
2. Экспериментальная часть 36
2.1. Материалы и методы исследования 36
2.1.1. Материалы 36
2.1.2. Методы исследования 38
2.1.2.1. Анализ химического состава топинамбура 38
2.1.2.1.1. Определение массовой доли влаги 38
2.1.2.1.2. Определение массовой доли Сахаров 39
2.1.2.1.3. Определение массовой доли инулина 39
2.1.2.1.4. Определение массовой доли целлюлозы 40
2.1.2.1.5. Метод количественного определения пектиновых веществ (кальций-пектатный) 41
2.1.2.1.6. Титриметрический метод исследования качественной характеристики пектина 2.1.2.1.6.1. Определение массовой доли свободных и метоксилированных карбоксильных групп 42
2.1.2.1.6.2. Определение массовой доли ацетильных групп 44
2.1.2.1.6.3. Определение степени метоксилирования пектина 44
2.1.2.2. Методы контроля качества зрелой бражки 45
2.1.2.2.1. Определение концентрации спирта и действительного экстракта 45
2.1.2.2.2. Определение массовой концентрации растворимых углеводов 45
2.1.2.2.3. Определение массовой концентрации растворимых несбраживаемых углеводов 45
2.1.2.2.4. Определение титруемой кислотности 46
2.1.2.2.5. Определение содержания токсичных микропримесей газохроматографическим методом 46
2.1.2.3. Методы микробиологического контроля производства 47
2.2. Результаты исследований и их обсуждение 49
2.2.1. Исследование углеводного комплекса клубней топинамбура 49
2.2.2. Изменения в пектиновом комплексе топинамбура при хранении 53
2.2.3. Сравнительная характеристика способов подготовки топинамбура к сбраживанию 55
2.2.3.1. Гидролиз инулина топинамбура под действием инулиназ сырья и ферментного препарата ксилоглюканофоетидина П1 Ох 60
2.2.4. Сравнительная характеристика способов активации инулиназ топинамбура 67
2.2.5. Микробиологические аспекты применения антисептиков в технологии этанола из топинамбура 75
2.2.5.1. Влияние способов асептирования на микробиологическую чистоту сусла 75
2.2.5.2. Влияние способов асептирования сусла на физиологическое состояние спиртовых дрожжей 81
2.2.6. Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура 87
2.2.6.1. Сравнительная характеристика способов получения засевных дрожжей 87
2.2.6.2. Влияние расы дрожжей на сбраживание сусла из топинамбура 92
2.2.6.3. Показатели качества зрелой бражки 97
2.2.7. Принципиальная технологическая схема производства этилового спирта из топинамбура 106
Экономическая часть 111
Выводы 120
Список литературы 122
Приложения 139
- Биохимический состав клубней топинамбура
- Сравнительная характеристика способов подготовки топинамбура к сбраживанию
- Влияние способов асептирования сусла на физиологическое состояние спиртовых дрожжей
- Принципиальная технологическая схема производства этилового спирта из топинамбура
Биохимический состав клубней топинамбура
Химический состав клубней топинамбура меняется в зависимости от сорта, почвенно-климатических условий, агротехники. Он связан со сроками уборки урожая (весна, осень) [156, 157]. Среднестатистические данные показывают, что содержание сухих веществ в клубнях колеблется в пределах 19—30% [26].
Углеводы. Углеводы топинамбура представляют собой интерес для пищевой промышленности в целом и для спиртовой отрасли в частности. Связано это с тем, что они составляют основную массу сухого вещества клубней. Их количество может достигать 80 и даже 90% [23, 136, 137, 139, 144, 148].
Основу углеводного комплекса топинамбура составляют фруктоза и ее полимеры различной степени сложности (инулиды), высшим гомологом которых является инулин [18].
Инулин относится к группе полифруктанов с эмпирической формулой (СбН10Об) и представляют собой полифруктозную цепь, в которой остатки D-фруктозы (до 96%) связаны Р-2,1-связью, причем каждая цепь с нередуцированного конца заканчивается молекулой D-глюкозы (до 6%), соединенной с фруктозой [3-1,2 связью (рис. 1) [56].
По сложности молекулы отношение между инулином и инулидами такое же, как между крахмалом и декстринами, так что ряду крахмал-декстрины-глюкоза соответствует ряд инулин-инулиды-фруктоза.
Но в отличие от крахмала степень полимеризации инулина значительно меньше.
При длине цепи инулина 38—45 гексозных единиц молекулярная масса находится в пределах 5000—6000 условных единиц [49].
Вместе с тем степень полимеризации амилозы составляет 200—1000 (молекулярная масса соответственно 32400—162000 условных единиц).
Амилопектин — одна из наиболее крупных органических молекул (молекулярная масса достигает 107—108 условных единиц [106]. К тому же он имеет разветвленное строение.
Общее содержание фруктанов, то есть инулина и других углеводов, которые в результате гидролиза дают фруктозу, составляет в клубнях топинамбура 65—75% от общей суммы сухих веществ [26, 49].
Немаловажное значение для дальнейшей переработки топинамбура в спиртовом производстве имеет строение ткани растения.
С применением метода электронной микроскопии установлено, что топинамбур отличается очень большими размерами клеток — более 100 мкм [21]. Клетки бедны морфологическими структурами и в основном состоят из центральной вакуоли, содержащей углеводный комплекс.
Кроме инулина и продуктов его гидролиза значительный интерес для спиртовой промышленности представляют структурные полисахариды топинамбура [150]. Из них большую часть составляют целлюлоза и пектиновые вещества (80—82%), а на последнем месте в количественном отношении стоят гемицеллюлозы [49].
Сумма пектиновых веществ, гемицеллюлоз и а-целлюлозы в топинамбуре колеблется в зависимости от сорта и условий года от 1,56 до 2,88% на сырой вес (или от 5,7 до 11,7% на сухой) [26]. По-сравнению с традиционными видами сырья, перерабатываемыми в спиртовой промышленности, топинамбур содержит повышенное количество пектиновых веществ. Причем сведения о данной группе соединений топинамбура в литературе до настоящего времени очень ограничены и относятся только к общему содержанию пектиновых веществ и процентному соотношению в них растворимого пектина и протопектина [20, 26, 49]. И это, несмотря на то, что свое название "пектин" получил в 1824 году когда Браконно выделил из сока топинамбура студнеобразующее вещество [62].
По данным отечественных ученых [20] содержание пектиновых веществ в клубнях топинамбура находится на уровне 0,7%. При этом доля водорастворимого пектина составляет от 15 до 20% в клубнях весеннего сбора и от 30 до 40% в клубнях осеннего сбора. Больше пектиновых веществ обнаружено в клубнях сортов Интерес и Находка. В работах [26, 49] также указывалось, что на протяжении всего периода роста и развития клубней исследованных сортов (Белый ранний и Вадим) преобладал протопектин.
В литературе до настоящего времени отсутствуют данные о качест венных характеристиках пектина топинамбура, в частности степени его ме-токсилирования.
Для спиртовой промышленности также важны сведения об изменениях, которые могут происходить с пектином в ходе технологического процесса. Так, известно, что нерастворимый протопектин может переходить в раствор под влиянием термообработки, кислотного, ферментативного гидролиза [31, 34, 36, 37, 83, ПО, 129].
Под действием пектинэстеразы гидролизуются сложноэфирные связи пектина, отщепляя метоксильные группы, с образованием метилового спирта и полигалактуроновой кислоты с низкой степенью этерификации [35, 88].
Азотистые вещества. Содержание азотистых веществ в клубнях топинамбура варьирует в довольно широких пределах от 4,3 до 11,0% [26]. Причем, на долю белкового азота приходится 57—59% и на долю небелкового — 41—43%.
Украинские исследователи [71, 113] установили, что по сбалансированности незаменимых аминокислот топинамбур превосходит зерно злаков. Так, если в идеальном протеине отношение лейцина к лизину составляет 1:1, в клубнях топинамбура 0,96:1, то есть близко к идеальному протеину, вместе с тем в зерне ячменя 1,8:1, а в зерне кукурузы концентрация лейцина превосходит концентрацию лизина в 3,5 раза.
Зольные элементы. Общее содержание зольных элементов в топинамбуре близко к его содержанию в картофеле [2, 117]. Вместе с тем, в нем обнаружено повышенное количество кремния и железа [26].
По данным венгерских исследователей, содержание минеральных веществ в топинамбуре зависит от характера почвы [133]. С использованием метода плазменной спектроскопии в клубнях топинамбура определено (мг/100 г СВ): калия — 2150; натрия — 21; магния — 1,12; цинка — 2,93; кремния — 4,2; алюминия — 1,0.
Витамины. Клубни топинамбура богаты витаминами. В них содержится тиамин, рибофлавин, ниацин, значительное количество аскорбиновой кислоты [63]. Общим для всех сортов является достаточно высокое содержание витамина В7 (биотина). Так, в клубнях сорта Интерес обнаружено 15,2 мкг/100 г СВ биотина, а в образцах сорта Находка - 24,0 мкг/100 г СВ [17]. Это почти в пять раз больше, чем в картофеле. Вместе с тем, известно, что биотин необходим для роста и развития дрожжевых клеток [106].
ФepMeHTbLEdelmon и Tefford в 1974 году [49] из экстрактов клубней топинамбура выделили три фермента, гидролизующие полифруктозаны: инвертазу, гидролазу А и гидролазу В. По их данным инвертаза присутствует в очень малых количествах. Первичное действие гидролаз А и В заключается в высвобождение фруктозного остатка из Р-(2,1), связанной цепи олиго- и полифруктозанов с образованием более низких гомологов этого ряда. Обе гидролазы А и В похожи в основном по своему действию. Они практически не активны по отношению к сахарозе, отдают предпочтение субстратам с более высокой степенью полимеризации, чем с низкой. Оба фермента проявляют стабильность при рН=7,5 и при температуре 55 С.
Немецкие ученые [142,143,154], исследуя "гидролазную активность" в топинамбуре и цикории, под которой они понимают способность комплекса ферментов отщеплять от инулина в условиях опыта 1 мк. моль фруктозы в минуту, установили, что в данном процессе участвуют следующие ферменты:
1. Гидролаза А и В;
2. Инулаза (Инулин-1-фруктаногидролаза, ЕС. 3.2.1.7, гидролизует Р-1,2 фруктановые связи в инулине) [70]
3. Инвертаза (P-D-фруктофуранозид-фруктогидролаза, ЕС.3.2.1.26, процесс идет по реакции: P-D-фруктофуранозид+НгО = спирт + D фруктоза) [70]
4. Инулосахараза ((3-1,2-фруктан: В-глюкоза-1-фруктозилтрансфера за, ЕС. 2.4.1.9, процесс идет по реакции: (Р-1,2-фруктозил-)п+В-глюкоза = (Р-1Д-фруктозилЬ + сахароза) [70]
5. Левансахараза (Р-2,6-фруктан: D-глюкоза-б-фруктозилтранс фераза, ЕС. 2.4.1.10, процесс идет по реакции: (Р-2,6-фруктозил-)п + D глюкоза = (Р б-фрукоозил-)».! + сахароза [70].
Сравнительная характеристика способов подготовки топинамбура к сбраживанию
При разработке новой энерго- и ресурсосберегающей технологии этанола из топинамбура на первом этапе работ необходимо было провести сравнительную характеристику способов подготовки сырья к сбраживанию и установить закономерности изменения углеводного комплекса топинамбура в процессе обработки на стадии получения сусла.
С целью контроля за изменениями, происходящими в углеводном комплексе топинамбура в процессе его обработки была предложена схема выделения и исследования фракционного состава углеводов (рис. 4), позволяющая количественно по содержанию редуцирующих веществ определять следующие фракции:
Фракция I (Ф1) — редуцирующие свободные сахара;
Фракция II (ФП) — олигосахариды и низкомолекулярные
фракции инулина;
Фракция III (ФШ) — высокомолекулярные фракции инулина.
Все известные в литературе методы, направленные на изменение углеводного состава топинамбура в сторону процентного повышения в нем низкомолекулярных компонентов, а данная цель должна быть решена и в поставленных перед нами задачах, можно сгруппировать на осуществляемые с помощью:
— кислотного гидролиза;
— механической деструкции;
— ферментативного гидролиза.
При рассмотрении первого способа были проведены исследования и установлена динамика изменения содержания отдельных фракций углеводов, образующихся при гидролизе топинамбура под действием раствора H2SO4 (по литературным данным вид кислоты практически не влияет на степень гидролиза [21]).
Кислотный гидролиз проводили при значениях рН 2-2,5, т.е. более низких чем предельно допустимые в спиртовом производстве (использование таких сред ведет к необходимости в дальнейшем нейтрализовать сусло).
Гидромодуль сырье: жидкая фаза составлял 1:0,5. Гидролиз проводили по мягкому (при температуре 55 С) и жесткому (при температуре 100 С) режимам.
На рис. 5 представлены результаты экспериментальных данных по изучению динамики изменения фракционного состава топинамбура (сплошная линия соответствует температуре 55 С, пунктирная — 100С).
Установлено, что при температуре 55 С гидролиз идет с образованием на начальных стадиях свободных Сахаров. Содержание Ф1 возрастает в основном в первые 30 мин (с 8,18% до 12,35%), причем за счет гидролиза среднемолекулярной фракции ФП. В дальнейшем содержание свободных Сахаров увеличивается очень незначительно (часовой гидролиз накапливает 13,19% Ф1).
После предварительного получасового гидролиза начинается деструкция высокомолекулярных фракций инулина, образуются олигосахариды.
В отличие от мягкого режима гидролиз при 100 С идет с высокой скоростью накопления Сахаров на первых этапах (их количество возрастает за 30 мин примерно в 4 раза). Гидролизуются как средне-, так и высокомолекулярные фракции. Однако, в дальнейшем одновременно с образованием Сахаров происходит их разрушение (при 45-минутном гидролизе потери составляют 12%, при 60-минутном возрастают до 21%).
Таким образом, кислотный гидролиз не может быть рекомендован для подработки топинамбура, предназначенного к переработке в этанол, т.к. в зависимости от температуры либо незначительно деструктурирует углеводы, либо разрушает их.
Кроме того, в результате кислотного гидролиза разрушается пектиновый комплекс сырья. Известно, что реакция кислотной деэтерификации пектина катализируется ионами водорода [5, 8, 45]. Гликозидные связи в цепи полигалактуроновой кислоты необычайно устойчивы к действию кислот, эфирные же связи гидролизуются гораздо легче [124, 125, 135]. А нами установлено, что пектин топинамбура относится к высокоэтерифицированному.
Другим способом изменения фракционного состава инулинсодержа-щего сырья является механическое воздействие на его структуру. Предлагают использовать механико-импульсную технику [86], гидродинамическую кавитацию [27], дезинтеграцию сырья [46].
В наших исследованиях для деструкции углеводов топинамбура использовали лабораторный гомогенизатор. Топинамбур предварительно из мельчали и в данном виде либо в смеси с водой помещали в стакан гомогенизатора и проводили механическую обработку при скорости вращения 200 об. с"1.
Экспериментально установлено, что при использовании измельченного топинамбура без дополнительного внесения в смесь воды (консистенция пробы — густая кашица) в углеводном комплексе сырья протекают негативные процессы, связанные с потерями (табл. 5).
Причем, с увеличением времени механической обработки с 1-ной минуты до 5-ти минут они возрастают с 12% до 75%. Вероятно, это связано с конструктивными особенностями гомогенизатора и значительным повышением в нем температуры обрабатываемой смеси.
Добавление воды (особенно при гидромодуле 1:1), т.е. изменение консистенции пробы, позволяет значительно снизить уровень потерь углеводов. Однако, существенного перераспределения фракций в сторону накопления низко- и среднемолекулярных не происходит. Поэтому, считаем не целесообразным для спиртовой промышленности ориентироваться на использование механических методов разрушения инулина. К тому же они связаны с необходимостью введения в процесс дополнительного технологического оборудования.
Влияние способов асептирования сусла на физиологическое состояние спиртовых дрожжей
При выборе асептических средств необходимо изучать их влияние на физиологическое состояние дрожжей, т.к. действуя на сопутствующие брожению микроорганизмы, многие из них могут угнетать в определенной концентрации и развитие производственных дрожжей. Определенное значение при этом имеет и исходный состав сбраживаемой среды.
Физиологическое состояние дрожжей в работе оценивали по бродильной активности, количеству почкующихся, мертвых клеток и клеток с гликогеном.
Результаты исследований по влиянию концентрации асептиков на бродильную активность дрожжей представлены на рис. 9. Установлено, что формалин, который, также как кислоты и соли тяжелых металлов, относится к плазматическим ядам [106], может быть использован для асептирования среды только до определенной концентрации. При сбраживании сусла из топинамбура, не прошедшего термической обработки, оптимальная доза внесения формалина составляет 0,75% 4-х процентного формалина к объему сусла. Такая концентрация данного препарата в достаточной степени обеспечивает микробиологическую чистоту процесса брожения и не угнетает спиртовые дрожжи. При меньшей концентрации формалина сусло инфицируется, продукты метаболизма споро- и кислотообразующих бактерий негативно влияют на ход брожения; большая концентрация асептика (1,5%) угнетает развитие спиртовых дрожжей.
Норма задачи антибиотика низина может быть выбрана преимущественно на основании исследований микробиологической чистоты процесса сбраживания. Так, концентрация низина 1000 ед. и 10000 ед. на 100 см3 сусла, достаточная для поддержания асептической чистоты среды, не влияет негативно на спиртовые дрожжи (рис. 9). Можно отметить даже некоторое повышение бродильной активности в образцах 02(Н) и 03(Н) по сравнению с образцом О2(ф), обработанным формалином в оптимальной концентрации.
Изучение физиологического состояния дрожжей, которое оценивали по содержанию почкующихся клеток, мертвых и с гликогеном, в зависимости от вида и концентрации антисептика представлено на рис. 10-12.
Интенсивность процесса брожения в значительной степени определяется скоростью накопления дрожжевой биомассы, которая в свою очередь непосредственно связана с делением дрожжевых клеток.
Определяющим фактором в данном процессе при прочих равных технологических условиях (температура, рН среды и т.д.) является состав сбраживаемого сусла. Кроме химических показателей (содержания углеводного, азотного, фосфорного компонентов) в нем необходимо учитывать наличие или отсутствие веществ, тормозящих рост и размножение дрожжей. К таким соединениям относится используемый для асептирования сусла формалин при превышении определенной концентрации, а также продукты жизнедеятельности посторонних инфицирующих среду микроорганизмов.
Известно, что в полноценной питательной среде дрожжи накапливают такое важное запасное соединение как гликоген, который может расходоваться клеткой по мере необходимости преимущественно как энергетический, реже как конструктивный материал.
Наоборот, повышенное содержание мертвых клеток свидетельствует о наличии в среде ингибиторов.
Учитывая вышесказанное можно констатировать:
- во-первых, что антибиотик низин в концентрациях 10...100 ед/см3, достаточных для поддержания асептических условий брожения, не оказывает угнетающего действия на спиртовые дрожжи. Их физиологическое состояние характеризуется наличием большого количества почкующихся клеток, клеток с гликогеном и минимальным количеством мертвых клеток;
- во-вторых, возможность применять для обработки сусла из топинамбура формалин в концентрации не превышающей 0,75% 4-х процентного раствора формалина к объему сусла. При такой норме задачи обеспечивается асептирование среды и не угнетаются спиртовые дрожжи;
- в-третьих, что повышенная концентрация формалина (1,5%) приводит к резкому ухудшению физиологического состояния дрожжей. В несколько раз увеличивается количество мертвых клеток, они плохо накапли вают гликоген, тормозится процесс размножения.
Обобщая материалы, представленные в разделах 2.2.5.1 и 2.2.5.2 данной работы, можно рекомендовать для обработки сусла из топинамбура, непрошедшего термической обработки, следующие способы асептиро-вания:
- с применением антибиотика низина в количестве 1000 ед на 100 см3 сусла (при необходимости концентрация может быть повышена);
- с применением формалина с дозой задачи 0,75% 4-х процентного формалина к объему сусла (использовать данный препарат в повышенных концентрациях не рекомендуется).
Принципиальная технологическая схема производства этилового спирта из топинамбура
На основании исследований, результаты которых представлены в разделах 2.2.1-2.2.6, разработана принципиальная технологическая схема производства этилового спирта из топинамбура (рис. 20).
Из буртов топинамбур подают в производство с помощью гидравлического транспортера. Скорость движения сырья около 0,75 м/с. Далее он поступает на гидромойку. Вымытый топинамбур взвешивается на ковшовых автоматических весах с точностью до ±0,5%.
Далее топинамбур подвергают измельчению, используя технологическое оборудование, предназначенное для дробления картофеля. Качество дробления оценивают методами, принятыми для картофеля [77].
При работе спиртовых заводов по схемам, предусматривающим разваривания сырья под давлением, данная технологическая стадия из процесса исключается. Измельченный топинамбур направляют сразу в осаха-риватель. В него поступает вода с температурой 60-65 С, после смешивания которой с топинамбуром температура затора составляет 30-45 С. Гидромодуль сырье : вода выбирается исходя из содержания в топинамбуре сухих веществ и составляет от 1ч0,25, до 1-=-0,50 (при значительном снижении массовой доли влаги в сырье в процессе хранения возможно повышение гидромодуля до 1ч-0,75).
Для заводов, работающих по механико-ферментативной схеме, измельченный топинамбур направляют в смеситель. Далее он последовательно проходит все аппараты, при условии поддержания в них температуры 50-55 С.
В осахариватель или смеситель подают рассчетное количество CaS04 в виде водного 1%-ного раствора. Задача соли составляет 0,01% СaS04 от массы сырья. Самоосахаривание ведут в течении 2-3 часов при температуре 50-55 С. Затор периодически или постоянно перемешивают. Процесс осахаривания контролируют по следующим показателям: массовая концентрация сухих веществ, массовая доля редуцирующих Сахаров, кислотность.
После завершения процесса осахаривания температуту сусла снижают до 28-30 С либо 35-37 С при использовании в технологии термотолератных рас дрожжей. Далее проводят асептирование сусла одним из двух методов:
— с применением формалина. Норма задачи 4%-ного раствора формалина 0,75% к объему сусла;
— с применением антибиотика низина. Норма задачи 1000-2000 ед. на 100 см3 сусла. Предварительно низин растворяют в воде, исходя из содержания его в растворе 10000 ед/см3.
Затем от обработанного сусла отбирают 10-15% (преимущественно жидкой части) и направляют в емкость для декантации. Густую часть возвращают в основной технологический процесс, а жидкую используют для производства засевных дрожжей.
Засевные дрожжи готовят по принятой на заводе технологии. В традиционные среды для размножения добавляют жидкую фазу осахаренного сусла из топинамбура. При этом процент замены традиционной для размножения дрожжевой среды на инулинсодержашую при переходе от одной стадии к другой увеличивается от 10% до 50%.
Сбраживание сусла из топинамбура ведут по принятой на заводе технологической схеме. Температура брожения 28-30 С (при использовании термотолерантных рас дрожжей - 35-37 С). Норма задачи засевных дрожжей 100-120 млн/см3 сусла. Продолжительность сбраживания 48-60 часов. Конец брожения определяется по общепринятым показателям качества бражки [77].
Брагоректификацию осуществляют по принятой на заводе технологической схеме. Качество этилового спирта и побочных продуктов производства определяют по общепринятым показателям [77].
В соответствии с принципиальной технологической схемой производства этилового спирта из топинамбура была проведена выработка партии этанола в условиях Бежецкого спиртового завода (Акт промышленной проверки технологии приведен в приложении 1).
