Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1 Традиционное сырье для спиртового производства 9
1.1.1 Комплексные схемы переработки крахмалсодержащего сырья 12
1.2 Нетрадиционное сырье спиртового производства 17
1.2.1 Перспективы применения инулинсодержащего сырья в пищевой промышленности 19
1.2.1.1 Химический состав клубней топинамбура 21
1.2.1.2 Хранение топинамбура 28
1.3 Технологии переработки топинамбура в пищевой промышленности 29
1.4 Получение биоэтанола из топинамбура 32
1.5 Комплексные схемы переработки топинамбура 33
1.6 Получение спирта из топинамбура 34
2. Экспериментальная часть 40
2.1. Материалы и методы исследования 40
2.1.1 Материалы 40
2.1.2 Методы исследования 41
2.1.2.1 Методы оценки микробиологических и биохимических характеристик топинамбура 41
2.1.2.2 Методы оценки засевных дрожжей и дрожжевых подкормок 44
2.1.2.3 Методы анализа полупродуктов (сусло и бражка) и отходов спиртового производства (жмых топинамбура и остаточные дрожжи) 46
2.1.2.4 Методы определения качественных показателей экстракта пектина и готового продукта 48
2.1.2.5 Методы определения показателей качества закваски, теста и готового хлеба 51
2.1.2.6 Определение показателей качества гидролизованной дрожжевой суспензии и готового гидролизата 53
2.2. Результаты исследований и их обсуждение 54
2.2.1 Выбор способа предобработки топинамбура для ферментации в пищевой этанол 54
2.2.2 Исследование процесса сбраживания осветленного сусла из топинамбура 55
2.2.2.1 Выбор спиртовых рас дрожжей 66
2.2.2.2 Получение засевных дрожжей 69
2.2.2.2.1 Факторы, влияющие на процесс культивирования 70
2.2.2.2.2 Получение засевных дрожжей с использованием дрожжевых активаторов 72
2.2.2.3 Влияние дозировки засевных дрожжей и перемешивания среды на процесс сбраживания 79
2.2.2.4 Влияние способов предобработки клубней топинамбура на сбраживание осветленного сусла 82
2.2.2.5 Факторы, влияющие на содержание вредных летучих примесей в бражке 87
2.2.3 Исследование процесса получения пектина из жмыха топинамбура 94
2.2.3.1 Получение пектина методом кислотного гидролиза 96
2.2.3.2 Получение пектина методом ферментативного гидролиза 108
2.2.4 Исследование влияния жмыха топинамбура на процесс производства ржано-пшеничного хлеба 115
2.2.4.1 Влияние различных дозировок жмыха топинамбура на процесс приготовления закваски 118
2.2.4.2 Влияние внесения жмыха топинамбура на процесс приготовления теста и характеристики готового хлеба 121
2.2.5 Исследование процесса получения дрожжевого гидролизата из остаточных дрожжей 123
3. Описание технологической схемы 128
4. Выводы 131
Список литературы 134
Приложения
- Химический состав клубней топинамбура
- Выбор способа предобработки топинамбура для ферментации в пищевой этанол
- Факторы, влияющие на содержание вредных летучих примесей в бражке
- Исследование процесса получения дрожжевого гидролизата из остаточных дрожжей
Введение к работе
В современных условиях жесткой конкуренции предприятия могут успешно работать только при условии решения экологических проблем и выпуска конечной продукции, отвечающей требованиям потребителя одновременно по двум параметрам: качество и себестоимость. Несоответствие продукции хотя бы по одному из них делает ее неконкурентоспособной. Анализ состояния отечественной спиртовой отрасли показывает, что на данном этапе основным сдерживающим фактором повышения рентабельности производства является низкая эффективность использования сырья. Для решения проблемы предлагаются технологии, основанные на комплексных схемах его переработки. Вес они относятся к способам дифференцированного разделения традиционного сырья (зерна) на фракции и целевого использования последних.
В полной мере данный подход обоснован и при переработке альтернативных сырьевых ресурсов. Среди разнообразия нетрадиционных видов перспективным для использования является топинамбур, один из самых дешевых видов сырья отрасли.
Топинамбур характеризуется полноценным биохимическим составом с преобладанием в клубнях фруктозанов. В нем имеется достаточно азотистых веществ, микро- и макроэлементов. Клубни обладают активным комплексом ферментов, гидролизующих инулин. Однако, с позиции спиртового производства трудности в переработке данного вида сырья представляют собой пектиновые вещества, деструкция которых в процессе классического термического разваривания клубней, может служить причиной накопления в бражке сверхнормативного количества метанола. Поэтому ранее учеными МГУПП была разработана низкотемпературная схема, основанная на процессах самоосахаривания затора из топинамбура под действием собственных инулиназ сырья с внесением для асептирования формалина - достаточно «жесткого» антисептика, который при определенных копцен-фациях отрицательно сказывается на жизнедеятельности дрожжей и, как следствие, выходе и качестве этанола.
При разработке комплексной технологии переработки инулинсодержащего сырья была предложена схема, позволяющая получать осветленное сусло с высоким переводом в него фруктозанов клубней и минимальной деструкцией пектиновых веществ, которые в большей степени концентрировались в отходе производства - жмыхе из топинамбура. Однако выполненные исследования были ограничены лишь стадией получения сусла.
В дальнейшем требовали решения такие задачи как способ предобработки клубней, значительно улучшающий микробиологические характеристики сырья и не влияющий негативно, в отличие от применяемого формалина, на процесс сбраживания осветленного сусла; изучение специфики самого процесса сбраживания такого сусла с учетом выхода и качества этилового спирта. Кроме того, необходимо было предложить рациональные пути использования вторичных отходов от получаемого и сбраживаемого осветленного сусла.
В связи с вышеперечисленным исследования, посвященные решению данных проблем, несомненно являются актуальными и перспективными.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы являются исследования, посвященные разработке комплексной технологии этилового спирта из топинамбура на основе получения и сбраживания осветленного сусла и использования вторичных продуктов для выработки пектина, компонента в хлебопекарном производстве и дрожжевых гидролизатов.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
- исследовать количественный и качественный состав микроорганизмов топинамбура;
провести сравнительный анализ способов (термических и химических) асептирования клубней и исследовать их влияние на характеристики готового сусла;
осуществить выбор расы спиртовых дрожжей для сбраживания осветленного сусла из топинамбура;
изучить влияние активаторов, рН и концентрации сусла на процесс получения засевпых дрожжей;
установить факторы, влияющие на процесс сбраживания осветленного сусла;
исследовать состав зрелой бражки на содержание спирта и вредных летучих примесей в ней по вариантам с отделением и без отделения дрожжей;
разработать способы получения пектина из жмыха топинамбура на основе кислотного и ферментативного гидролиза; оптимизировать технологическую стадию гидролиза-экстракции;
исследовать процесс использования жмыха из топинамбура при производстве ржано-пшеничного хлеба;
исследовать перспективы получения дрожжевого гидролизата из остаточных спиртовых дрожжей и изучить качественные характеристики продукта.
Научная новизна
Выявлено влияние различных методов асептирования, основанных на термическом воздействии и химической предобработке клубней, на качественный и количественный состав микроорганизмов сырья и характеристики осветленного сусла из топинамбура.
Впервые проведен выбор спиртовых рас дрожжей для сбраживания осветленного сусла из топинамбура и установлена зависимость процесса производства засевпых дрожжей от концентрации сусла, рН и внесения активаторов.
Научно обоснованы показатели бражки по выходу этилового спирта и вредных летучих примесей в ней в зависимости от способов предобработки клубней и процесса отделения остаточных дрожжей.
Впервые проведена сравнительная характеристика методов выделения пектина на основе кислотного и ферментативного гидролиза жмыха топинамбура и установлена зависимость показателей качества пектина от параметров процесса.
Научно обосновано активирующее влияние внесения сухого жмыха из топинамбура при приготовлении ржано-пшеничного хлеба на интенсификацию стадии производства закваски и теста.
Впервые изучен фракционньш и аминокислотный состав дрожжевого гидролизата, полученного из остаточных спиртовых дрожжей.
Практическая значимость работы
Разработана комплексная технология переработки топинамбура, защищенная патентом РФ № 2301832, позволяющая:
без снижения выхода спирта из 1 т условного крахмала сырья дополнительно получать: сухой жмых из топинамбура - в качестве сырья для получения пектина или ингредиента при приготовлении ржано-пшеничного хлеба по ускоренной технологии с сокращением длительности процессов и повышением биологической ценности продукции; остаточные спиртовые дрожжи - в качестве сырья для получения дрожжевого гидролизата;
снизить в среднем на 25% общее содержание примесей в бражке и тем самым сократить затраты на ректификацию;
выработать дополнительно свыше 1300 т сухого жмыха топинамбура и 25т сухого дрожжевого гидролизата при производительности завода 3000 дал/сутки.
По результатам опытно-промышленной проверки разработанной технологии, проведенной в условиях спиртового завода «Московский опытный завод РОССЕЛЬХОЗЛКЛДЕМИИ» рассчитала условно-годовая экономия, составляющая для завода производительностью 3000 дал/сут. 14,7 млн. рублей в год.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на
Международной научно - практической конференции «Рациональное использование
биоресурсов в АПК» (Владикавказ, 2006), IV международной научно - практической
конференции - выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства
для их реализации» (М., 2006), V юбилейной школе - конференции
«Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (М., 2007), на Международной научно-практической конференции «Олимпиада 2014: технологические и экологические аспекты производства продуктов здорового питания» (Краснодар, 2009), Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, включая 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы из 289 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 162 страницах машинописного текста, содержит 33 таблицы и 26 рисунков.
Химический состав клубней топинамбура
Химический состав клубней топинамбура меняется в зависимости от сорта, почвенно-климатических условий, агротехники, сроков уборки урожая (весна, осень) [33,51,279,280].
Среднестатистические данные показывают, что содержание сухих веществ в клубнях колеблется в пределах 19-30% [6,32,68,117]. Среди них преобладают углеводы, которые составляют основную массу сухого вещества клубней топинамбура. Известно, что их количество может достигать 80 и даже 90 % [6,16,33,255,256,260,267,275].
Основу углеводного комплекса топинамбура составляют фруктоза и ее полимеры различной степени сложности, высшим гомологом которых является инулин [23,41]. Инулин, открытый Розе в 1804 году, играет в растениях роль, принадлежащую в зерновых культурах крахмалу. Он трудно растворяется в холодной воде, при нагревании до 60-70С дает прозрачный раствор и выделяется из него обратно при вымораживании или при добавлении спирта, что используется при получении очищенных препаратов инулина.
Инулин относиться к группе полифруктанов с эмпирической формулой (СбНю05)п и представляет собой полифруктозную цепь, в которой остатки Д-фруктозы (до 96%) связаны Р-1,2- связью, причем каждая цепь с нередуцированного конца заканчивается молекулой Д-глюкозы (до 6%) соединенной с фруктозой р - 1,2-связью.
Установлено, что клубни топинамбура содержат серию Р-Д-фруктофуранозидов, образующих гомологический ряд, каждый член которого отвечает основной формуле Г [Ф]П, где [Ф]п - остаток фруктофуранозы. Гомологический ряд начинается с сахарозы - низкого гомолога (при п=0), а не с фруктозы, которую редко обнаруживают в соке из клубней топинамбура, а каждый последующий олигофруктозид отличается от предыдущего на молекулу фруктозы [121,178].
Инулин — невосстанавливающий полисахарид, не дающий с йодом окраски. В настоящее время науке известны три формы инулина: а-инулин (белый аморфный порошок), Р-инулин (бесцветные кристаллы), уинУлин- Все формы взаимопревращаемы. Они отличаются молекулярной массой, степенью полимеризации, температурой растворения, способом получения и т.д.; а-форма образуется при вымораживании, р-форма - при осаждении спиртом, у-форма - при применении целого ряда процессов, связанных с воздействием различных температур [23].
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 (35-42 гексозных единиц); молекулярная масса в пределах 5000-6000 усл. ед. [114].
Общее содержание фруктозанов, т.е. инулина и других углеводов, которые в результате гидролиза дают фруктозу, составляет в клубнях топинамбура 65-80% от общей суммы сухих веществ [16,51,114].
Как следует из литературных данных [6,51,112], образцы топинамбура могут значительно отличаться не только массовой долей в них суммарных фруктозанов, но и процентным содержанием отдельных фракций. И если первый параметр определяет выход этанола из единицы сырья, то второй может оказать существенное влияние на ход протекания технологических процессов.
Обычно в растительном организме находится не чистый инулин, а смесь фруктозанов или, по меньшей мере, инулин с большой группой фруктозанов, так называемых левулезанов, или инулидов [51,201,202]. Причем, одни авторы под инулином понимают общее содержание фруктозосодержащих углеводов: инулина, т.е. полифруктозанов со степенью полимеризации 30 и выше, инулидов - полифруктозанов со степенью полимеризации от 3 до 30 и сахарозу, другие только инулин [51,57]. Отсюда большие расхождения в содержании инулина в клубнях, которые приводятся разными авторами.
Продукты гидролиза инулина также определяются несколькими терминами: инулиды, фруктозаны, олигосахариды [6,114,217].
Второе место в количественном отношении после фруктозанов занимают полисахариды топинамбура, входящие в состав клеточных оболочек тканей клубней. Из них большая часть — целлюлоза и пектиновые вещества (80-82%), а на последнем месте в количественном отношении стоят гемицеллюлозы [114].
По сравнению с традиционными видами сырья, перерабатываемыми в спиртовой промышленности, топинамбур содержит повышенное количество пектиновых веществ [51,72,110,114].
В соответствии с классификацией [72], принятой в настоящее время для обозначения отдельных групп пектиновых соединений приняты следующие термины:
пектиновые вещества (pectin substances) — физические смеси пектинов с сопутствующими веществами (например, пентозанами и гексозанами);
пектин (pectin) — водорастворимое вещество, свободное от целлюлозы и состоящее из частично или полностью метоксилированных остатков полигалактуроновой кислоты. В зависимости от количества метоксильных групп и степени полимеризации существуют различные пектины. Н-пектин (H-pectin) —высокоэтерифицированный пектин. Имеет степень этерификации, т.е. отношение числа этерифицированных карбоксильных групп на каждые 100 карбоксильных групп пектиновой кислоты, более 50%; L-пектин (L-pectin) - низкоэтерифицированный пектин. Имеет степень этерификации менее 50 %;
протопектин (protopectin) - нерастворимый в воде природный пектин растений, состоящий в основном из сети пектиновых цепей, образованных в результате соединения ионов многовалентных металлов с неэтерифицированными группами СООН с образованием ионных мостиковых связей и, в незначительном количестве, при помощи эфирных мостиков с Н3РО4;
пектовые кислоты (pectic acid) - полностью деметоксилированные пектины с нетронутой цепью. Соли пектовых кислот называются нормальными или кислыми пектатами (pectates);
производные пектина — пектины, связанные по главным валентностям с различными группами, например, ацетилпектин.
Основу всех пектиновых веществ составляет полигалактуроновая кислота, построенная из остатков D-галактуроновой кислоты, соединенных а - 1,4-гликозидной связью. В растениях эта кислота содержится, как правило, не в свободном виде, а этерифицирована метиловым спиртом. Установлено [230], что в клубнях топинамбура среди пектиновых веществ преобладает протопектин (78,6-89,9 % от общего содержания пектиновых веществ в сырье). Содержание полигалактуроновой кислоты в пектине топинамбура находиться на уровне 65-70% на СВ. Степень метоксилирования сухого пектина практически не зависит от состава сырья и варьируется для образцов, полученных из внутренних слоев топинамбура в пределах 65,7-71,6%, выделенных из покровных тканей в интервале 60,4-63,6.
Также установлено незначительное содержание в пектине топинамбура ацетильных групп (порядка 0,09-0,25% на СВ).
Анализ анатомических частей клубней показал, что в покровных слоях преобладает нерастворимый протопектин, массовая доля которого составляет 10,9-18,7% на сухое вещество, доля же растворимого пектина ничтожно мала -0,05-0,07%. Напротив, во внутренних слоях топинамбура концентрируется растворимый пектин. Его уровень составляет 83,1-87,6% от общего содержания в топинамбуре, количество же протопектина и растворимого пектина составляет 0,4-0,5% на сухое вещество.
Таким образом, учитывая общее содержание пектиновых веществ в анатомических частях клубней, соотношение в них протопектина и растворимого пектина, их ацетильную составляющую можно прогнозировать режимы переработки данного сырья [117]. Данные по содержанию полигалактуроновой кислоты в пектине топинамбура позволяют отнести сырье к промышленно значимому. Показатель степени метоксилирования прогнозировать студнеобразующую и комплексообразующую способность пектинов топинамбура.
Кроме вышеперечисленных веществ, клубни топинамбура содержат азотистые вещества, микро-, макроэлементы, витамины.
Содержание азотистых веществ варьируется в пределах от 4,3 до 11,0% [51]. На долю белкового азота приходится 57-59%, небелкового - 41-43%. Украинские исследователи [153,219] установили, что по сбалансированности незаменимых аминокислот топинамбур превосходит зерно злаков.
Общее содержание зольных элементов в топинамбуре близко к его содержанию в картофеле [33]. В нем обнаружено повышенное количество кремния и железа [51]. По данным венгерских исследователей, содержание минеральных веществ в топинамбуре зависит от характера почвы. 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 [250].
Клубни топинамбура богаты витаминами. В них содержится тиамин, рибофлавин, ниацин, значительное количество аскорбиновой кислоты [172,173]. 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. [38]. Это почти в пять раз больше, чем в картофеле. Вместе с тем, известно, что биотин необходим для роста и развития дрожжевых клеток [21,245].
Также, заслуживает особого внимания оценка собственных ферментов клубней топинамбура, так как знания в этой области позволяют прогнозировать режимы стадий производства этанола, что является существенным при разработке современных способов переработки клубней.
Выбор способа предобработки топинамбура для ферментации в пищевой этанол
При разработке рациональных технологий получения этилового спирта из топинамбура в первую очередь необходимо базироваться на низкотемпературных способах переработки сырья. Они имеют несомненные преимущества перед традиционными, основанными на высокотемпературном разваривании зерна и картофеля под давлением, однако предъявляют к качеству исходного сырья строгие требования с позиции его микробиологических характеристик [45, 74].
Сведения о микроорганизмах клубней топинамбура в литературе практически отсутствуют. Получение таких данных позволит подойти с научной точки зрения к вопросу выбора методов и средств повышения, как исходного качества клубней, так и улучшения микробиологического состояния сусла и бражки из топинамбура.
В технологии переработки топинамбура, основанной на низкотемпературных схемах самоосахаривания затора, для асептирования сред предлагают использовать формалин либо антибиотик низин [207]. Причем в связи с тем, что формалин, также как кислоты и соли тяжёлых металлов, относящийся к плазматическим ядам, может быть использован для асептирования среды только до определённой концентрации. Установлено, что при сбраживании неосветленного сусла из топинамбура, не прошедшего термической обработки, оптимальная доза внесения формалина составляет 0,75% 4-х процентного формалина к объёму 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%) подавляет развитие спиртовых дрожжей. Норма задачи антибиотика низина может быть выбрана преимущественно на основании исследований микробиологической чистоты процесса сбраживания, т.к. превышение указанной концентрации не оказывает негативного влияния на спиртовые дрожжи [6]. Вместе с тем промышленное производство антибиотика низина в нашей стране отсутствует, а импортный препарат достаточно дорогой.
Данных по методам асептирования осветлённого сусла из топинамбура в литературе не выявлено, поэтому- целью настоящего этапа работы явились исследования; по изучению способов предобработки клубней, направленных на повышением их микробиологических характеристик, а также непосредственных методов; ассептирования уже полученного осветлённого сусла. Работа по выбору способові повышения микробиологической чистоты, сред проводилась с учётом5 основных показателей качества: осветлённого сусла.
В; данной работе состав основных групш микроорганизмов; находящихся: на клубнях топинамбура т представляющих опасность при- ферментации: сырья в этанол определялшчашечньшпметодом путем посева на стандартные питательные: среды проб смывной воды, полученной при двукратной обработке клубней!, Соотношение сырье: водасоставляло 1:2. Количественный и качественный состав г эпифитных микроорганизмов, образцов клубней! топинамбура представлен? в таблице 2..
Установлено, что на образцах топинамбура были преимущественно обнаружены слизеобразующие, молочнокислые, спорообразующие бактерии. Кроме того, на данном виде сырья были идентифицированы и дикие дрожжи.
Известно, что в технологии спирта значительный ущерб производству наносят спорообразующие бактерии, которые в процессе жизнедеятельности не только используют углеводы и другие питательные вещества сусла, но и восстанавливают нитраты в нитриты. Наличие незначительных количеств нитритов в среде (0,0005%) тормозит развитие дрожжевых клеток, а концентрация 0,02% почти полностью прекращает их рост. Неспорообразующие гнилостные бактерии вызывают размягчение и разрушение клеток дрожжей, с образованием неприятно пахнущих продуктов (индол, скатол), а также органических серосодержащих продуктов, сероводорода. Вместе с дрожжами основной производственной культуры-дикие дрожжи часто собираются в хлопья и выносятся на поверхность среды, где образуют стойкую пену, ослабляя процесс брожения. Слизеобразующие бактерии вызывают агглютинацию дрожжей, то есть преждевременное оседание, и тем самым ухудшают процесс брожения и снижают выход этанола [ 197,144,3 8].
Таким образом, изучение количественного и качественного состава микроорганизмов топинамбура показало, что при разработке низкотемпературной технологии этанола на основе получения и сбраживания осветленного сусла из клубней необходимо предусмотреть методы обработки сырья.
Теоретически с целью улучшения исходного микробиологического состояния клубней могли быть рекомендованы, во-первых, термические способы обработки, а во-вторых, способы, основанные на внесении в воду, предназначенную для мойки, специальных химических реагентов. К методам первого направления можно отнести пропаривание и бланширование клубней, а второго - обработку сырья с использованием перманганата калия, хлорной извести, и дезинфектанта «1Б ЗЕРНО МК».
При использовании термических способов обработки имитировались процессы бланширования сырья, применяемые традиционно в технологии консервного производства [148]. Обработка, паром осуществлялась методом, предложенным специалистами ВНИИПБТ для глубокой очистки зернового сырья [82].
Продолжительность обработки клубней в кипящей воде и воздействием пара варьировалась от 1 до 5 минут. Данные, приведённые в таблице 3, показывают, что способ обработки сырья посредством пара более эффективен для снижения содержания посторонних микроорганизмов. Он позволяет при обработке в течение 1 минуты снизить общее содержание микроорганизмов более чем в 5 раз от исходного, при обработке в течение 3 минут - почти в ,20 раз, а при обработке в течение 5-ти минут получить стерильную поверхность.
На следующем этапе исследований из термически обработанных клубней топинамбура, получали осветленное сусло в соответствии с технологической схемой приведенной в работе [232], согласно которой клубни топинамбура подвергались измельчению с помощью технологического оборудования, предназначенного для дробления картофеля (до степени измельчения 92-96% [6]). В полученную измельченную массу добавляли воду (в соотношении 0,20-0,25%) к массе топинамбура), раствор CaSC 4 из расчета внесения ионов Са в количестве 0,01% к массе сырья и ферментный препарат — Нейтразу, в количестве 4 ед ПС/1 г сухого вещества сырья. Далее подготовленная масса подвергалась самоосахариванию при t=50-55 С в течение 3-4 часов. Полученное неосветленное сусло, с целью разделения на жидкую фазу и твердый остаток, подвергалось прессованию.
Процесс контролировали по объёму сусла, полученного из 100г топинамбура, а также по содержанию в нём сухих веществ, массовой доли фруктозанов, в том числе в виде свободных Сахаров, а также содержанию белка по Лоури и аминного азота.
Факторы, влияющие на содержание вредных летучих примесей в бражке
Процесс сбраживания характеризуется тем, что наряду с основными продуктами брожения образуются побочные: высшие спирты, эфиры, альдегиды, кислоты и др. Эти соединения называются примесями спирта, от их качественного и количественного состава зависит, в конечном счете, качество готового продукта — пищевого этилового спирта. Обычно содержание примесей не превышает 0,5% по массе от количества этилового спирта. На образование примесей влияет в значительной степени вид и качество сырья и вспомогательных материалов, условия проведения технологического процесса, в частности, способ тепловой обработки замеса, раса используемых дрожжей и связанный с ней азотный обмен [15,245].
Известно, что образование этанола может не коррелировать с накоплением побочных продуктов обмена дрожжей. Бражки, содержащие одинаковые количества этанола, могут значительно отличаться по органолептическим показателям [267]. Поэтому определение факторов, влияющих на обмен веществ дрожжей и образование ими побочных продуктов, имеет большое теоретическое и практическое значение и требует дальнейшего изучения в случаях применения нетрадиционного сырья, новых способов его предобработки и подготовки к ректификации.
Дистиллят бражки исследовали в лаборатории ВНИИПБТ с использованием газохроматографического метода анализа. Типичная хроматограмма и результаты ее обработки представлены в приложении 1. Из 29 определяемых примесей в представленных образцах бражки, полученных при сбраживании неосветленного и осветленного сусла из топинамбура, были выявлены 1-пропанол, 2-пропанол, изобутанол, 1-бутанол, 1- пентанол, изоамилол, метанол, этилацетат, ацетальдегид, ацетон, уксусная, масляная, изомасляная, валериановая и изовалериановая кислоты, фенилалкоголь и фурфурол. В бражке из топинамбура отсутствовали диэтиловый эфир, мети л ацетат, изобутил ацетат, 2-бутанон, 2-бутанол, этилбутерат, кротональдегид, 1-гексанол, пропионовая кислота, бензальдегид, бензалкоголь и диэтилэфирфталат.
Хроматографическому анализу было подвергнуто 11 образцов дистиллята бражки (бражка, полученная путем сбраживания неосветленного сусла, а также осветленного сусла без отделения и с отделением остаточных дрожжей перед стадией перегонки).
В таблице 19 представлены данные по анализу контрольных и опытных образцов, в которых перегонка велась без выделения дрожжей. В целом, можно констатировать, что переработка осветленного сусла снижает общее количество примесей по сравнению с вариантом, где используется неосветленное сусло (на 7,4-20,7%).
Исключение составляет образец, в котором осветленное сусло с целью асептирования подвергают автоклавированию, содержание примесей в нем возрастает на 6%. Сравнивая опытные образцы осветленного сусла и контрольный (К II), необходимо отметить, что предобработка клубней взамен внесения в сусло определенного количества формалина, как и для неосветленного сусла также снижает общее коли 4ество примесей в среднем на 10%.
Рассматривая отдельные группы примесей можно отметить, что содержание высших спиртов (рисунок 13) существенно зависит от способа предобработки. В варианте, где клубни подвергали гь бланшированию, этот показатель находился на уровне контрольного образца (К II). Содержание данной группы примесей в образцах, подвергнутых обработке известью и препаратом «1Б ЗЕРНО МК», уменьшается, по сравнению с контрольными образцами К I и К II, на 15-20%. Максимальное количество высших спиртов выявлено в образце, полученном путем сбраживания автоклавиро ванного сусла. Этот образец характеризовался и самым высоким содержанием эфиров и альдегидов. Для остальных вариантов бражки количество данных групп примесей практически не меняется.
Содержание органических кислот имеет иную тенденцию (рисунок 14). Минимальное количество выявлено в образце, подвергнутом автоклавированию, по сравнению с контролем (К ) снижение составляет более чем в два раза, в способах с предобработкой клубней уменьшение на 25-30%. Данный факт связан с тем, что с позиции асептироваг ия, а именно от него, в большей степени, зависит количество накапливаемых органических кислот в бражке, способ автоклавирования является самы м эффективным
Отдельно можно выделить данные по содержанию в образцах бражки фурфурола. Установлено, чтэ при сбраживании сусла, подвергнутого автоклавированию, содержание данной примеси возрастает в 8-10 раз. Можно выдвинуть предположение, что в процессе тепловой обработки часть фруктозы осветленного сусла подвергается оксиметил фурфурольному разложению и, как следствие, в среде накапл івается оксимелфурфурол. Возможно, при хроматографическом анализе ш определяется как фурфурол. Необходимо отметить, что фурфурол представляет собой простейший альдегид фуранового ряда, содержание которого в этиловом ректификованном спирте, согласно нормативным документам, недог устимо.
В таблице 20 представлень і данные по анализу летучих примесей в бражке, полученных после отделения дрс жжей.
Сравнение данных в таблицах 19 и 20 позволяет сделать следующие выводы:
1. выявлена устойчивая тенденция к снижению общего числа примесей в образцах, подвергнутых перегон і се после стадии отделения дрожжей;
2. установлено, что количество примесей зависит от их вида. Так содержание эфиров и альдегидои после отделения дрожжей снижается примерно в 1,5-2,0 раза, высших спиртов уменьшается на 15-20% (рисунок 15), а органических кислот, напротив возрастает на 15-20%.
Выявленные зависимости могут быть связаны с различной способностью отдельных примесей к адсорбцій, а также возможностью перехода отдельных соединений в жидкую фазу при нарушении целостности клеточной стенки дрожжей. Содержание фурфурола в зависимости от варианта остается на прежнем уровне, возрастает либо снижается.
Исследование процесса получения дрожжевого гидролизата из остаточных дрожжей
Вторым вторичным продуктом, образующимся в соответствии со схемой (рисунок 16) получения спирта из осветленного сусла топинамбура, явились остаточные спиртовые дрожжи. Было установлено, что в случае выделения их из зрелой бражки до стадии ректификации можно выделить около 500 кг дрожжевой суспензии на 1000 дал спирта, или примерно 125 кг сухих остаточных дрожжей (влажность около 25%). Анализ данного вторичного продукта показал, что среди сухих веществ в нем преобладали азотсодержащие соединения (около 40%), содержание зольных элементов варьировалось в пределах 7,4-9,2%. Полученную дрожжевую биомассу было предложено, в настоящей работе, использовать в качестве сырья для выработки гидролизата.
Известно, что дрожжевая биомасса является полноценным источником белковых веществ, аминокислотный скор которых приближается к животному белку. Кроме того, наличие витаминов, ценных полисахаридов и микроэлементов позволяет рассматривать микроорганизмы как перспективные субстраты для получения биологически активных добавок. Однако, питательная ценность дрожжевой биомассы ограничена низкой доступностью внутриклеточных биополимеров для действия пищеварительных ферментов.
В представленной работе в качестве основы для получения гидролизата из остаточных спиртовых дрожжей была принята технологическая схема производства белковых препаратов, основанная на регулируемом процессе биокатализа дрожжевых клеток, разработанная специалистами ВЫИИПБТ [193]. В соответствии с предложенной схемой процесс включал следующие этапы:
подготовка дрожжевой суспензии (соотношение сухие дрожжи: вода 1:3) и термолиз в течение 15-20мин при температуре 85 ,
ферментативный гидролиз, проводимый с использованием ферментного препарата Амилопротооризин Г 20Х в дозировке 10-15 ед. ПС/г сухого вещества биомассы в течение 4 ч, при температуре 50С,
сушка гидролизованной дрожжевой суспензии и получение сухого препарата.
Остаточные спиртовые дрожжи, от технологии переработки топинамбура в спиртовом производстве, были подвергнуты обработке в соответствии с предложенной схемой. Анализ полученных данных (таблица 31) и сравнение с данными, приведенными в работе [193]. для гидролизата из остаточных пивных дрожжей, показал, что образцы существенно не отличаются друг от друга. Вместе с тем, следует отметить, что гидролизат, полученный из спиртовых дрожжей содержал больше РВ и аминного азота и меньше растворимых белков. Последнее может быть связано с меньшим содержанием белка в спиртовых дрожжах по сравнению с пивными, а также более низкой степенью их гидролиза (80% против 83%).
В целом, опытный образец, как и контрольный обладал хорошей растворимостью, достаточно высоким содержанием аминокислот и пептидов и мог быть использован в качестве пищевой добавки (белково-аминокислотного обогатителя) для повышения биологической полноценности продуктов питания и напитков.
Дополнительно в работе был исследован фракционный и аминокислотный состав ферментолизата дрожжевой биомассы, полученной из остаточных спиртовых дрожжей. Полученные данные и представленные для сравнения в работе [193] (таблицы 32 и 33), также не выявили существенных различий между гидролизатами, выработанными из пивных и спиртовых дрожжей. В результате исследования способов дезинфекции клубней топинамбура, выбора расы дрожжей и оптимальных условий для сбраживания осветленного сусла и получения спирта, а также изучение возможности использования вторичных продуктов производства этанола, была разработана комплексная схема переработки топинамбура в этиловый спирт (рисунок 16).
