Кислотный гидролиз пивной дробины

Полная исследовательская публикация _________ Минзанова С.Т., Фазлиев И.И., Ахмадуллина Ф.Ю.,

Миронова Л.Г., Пашагин А.В., Мусин Р.З., Миндубаев А.З. и Бердник И.В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

146 ____ http://butlerov.com/ ______ ©--Butlerov Communications. 2014. Vol.38. No.6. P.140-146. (English Preprint)

Полная исследовательская публикация Тематический раздел: Биохимические исследования.

Регистрационный код публикации: 14-38-6-140 Подраздел: Биохимия и биотехнология.

140 ________ ©--Бутлеровские сообщения. 2014. Т.38. №6. _________ г. Казань. Республика Татарстан. Россия.

УДК 547.455.526.

Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова

Кислотный гидролиз пивной дробины

Фазлиев Ильнар Ирекович

Экологическая проблема является глобальной проблемой современности. Широкое во-влечение в хозяйственный оборот вторичных сырьевых ресурсов, создание малоотходных технологий [1-3], позволяет решать экологические проблемы и получать новые практически ценные продукты. На пивоваренных заводах России на стадии фильтрования осахаренного пивного затора образуется многотоннажный отход и ценный продукт - пивная дробина. На заводе средней мощности количество пивной дробины достигает 35000 тонн в год, а по России более 400 предприятий, поэтому актуальность решения проблемы очевидна. Пос-кольку в качестве сырья на пивоваренных заводах используется высококачественный ячмень, образующаяся пивная дробина богата белком, углеводами (в т.ч. и пентозанами), микро- и макроэлементами, органическими кислотами, витаминами и может выступать в качестве перс-пективного вторичного материального ресурса [4-8], решая задачи ресурсосбережения и охра-ны окружающей среды.

Химический состав пивной дробины (табл. 1) подтверждает питательную ценность пив-ной дробины и определяет ее основные направления использования - производство кормов и продуктов питания. Как показывает анализ литературы [6], чаще всего она служит добавкой к кормам для сельскохозяйственных животных взамен мясокостной муки. Пивную дробину можно применять в биотехнологии для производства белковых концентратов после гидролиза с применением ферментов целлюлолитического действия с последующим культивированием на гидролизатах микроорганизмов - продуцентов белков (например, дрожжей родов Candida, Yarrowia).

Пивная дробина богата пентозанами, представленными арабинанами и ксиланами, в связи с чем, является перспективным источником для получения пентозных сахаров. Напри-мер, ксилозы, восстановлением которой получают ксилит - продукт, необходимый для людей, больных сахарным диабетом. Оптимальным решением практической реализации, на наш взгляд, является создание малотоннажных технологических модулей в районах России с раз-витой пивоваренной промышленностью.

Табл. 1. Химический состав пивной дробины (в %)

Целью настоящих исследований являлась разработка кислотного гидролиза пивной дро-бины для получения пентозных гидролизатов, содержащих преимущественно ксилозу.

Экспериментальная часть

В рамках данного исследования проведена серия опытов по кислотному гидролизу пивной дробины. На стадии подготовки сырье было подвергнуто высокотемпературной промывке водой в течение 1 часа при 100 оС. Кислотный гидролиз проводился серной кислотой (1.5, 3.0, 4.5%) в течение 7 часов при температуре 100 єС.

Для определения характеристик полученных пентозных гидролизатов использовались обще-принятые экспериментальные методики. Значение рН определяли на лабораторном иономере И-160МИ. ИК спектры были сняты на приборе Фурье спектрометр Vektor 22 фирмы Bruker, с разреше-нием 4 см-1 в диапазоне 400-4000 см-1, в таблетках KBr. Масс-спектрометрическое исследование про-водилось на времяпролётном масс-спектрометре ULTRAFLEX фирмы Bruker (Германия) и приборе DFS фирмы Thermo Electron Corporation (США). Элементный состав образцов определен на приборе Euro EA - Elemental Analyzer 3028-HT-OM. Количественное содержание сахаров в гидролизатах опре-делялось методом ВЭЖХ (колонка REPROSIL PUR NH2, элюент ацетонитрил : вода : триэтиламин = 7.5 : 3.5 : 0.01 (по объему), скорость подачи элюента 0.3 мл/мин, Т = 27 єС, UV = 254. 275 нм).

Результаты и их обсуждение

В результате проведенного цикла исследований предложена принципиальная схема переработки пивной дробины, включающая следующие этапы: предварительная обработка сырья, кислотный гидролиз, фильтрование, нейтрализация, центрифугирование, дополнитель-ная очистка гидролизатов - обработка активированным углем, катионитом и анионитом, пере-кристаллизация моносахаров [5].

На стадии подготовки сырье было подвергнуто высокотемпературной промывке водой в течение 1 часа при 100 оС для удаления примесей, которые в дальнейшем могут мешать кристаллизации ксилозы [10]. Важнейшей стадией технологии получения ксилозы является гидролиз пивной дробины, обеспечивающий разрыв связей в макромолекуле и образование моносахаров. Для обеспечения максимального выхода сахаров необходимо подобрать гидро-лизующий агент и оптимизировать технологические параметры гидролиза-экстракции (темпе-ратура, продолжительность, гидромодуль). Согласно рекомендациям авторов [11], а также с учетом возможности минимизации затрат на нейтрализацию, процесс гидролиза проводили с использованием серной кислоты. Для оптимизации ее концентрации гидролиз проводился серной кислотой различной концентрации 1.5, 3.0, 4.5% в течение 7 часов при температуре 100 єС. Через определенные промежутки времени для определения содержания сахаров в гидролизате проводился отбор проб с последующей нейтрализацией гидроксидом бария. До-полнительную очистку гидролизатов проводили с использованием ионообменной хромато-графии (катионит КУ-2 и анионит АВ-17).

Зависимость концентрации сахаров от продолжительности гидролиза представлена на рис. 1. Количественное определение содержания сахаров проводилось титриметрическим ме-тодом.

Рис. 1. Оптимизация концентрации серной кислоты

Из представленных графиков видно, что процесс гидролиза идет с накоплением пентоз-ных сахаров, и чем выше концентрация кислоты, тем больше содержание сахаров в гидро-лизате. На наш взгляд, с целью минимизации материальных и энергетических затрат рацио-нальными параметрами гидролиза пивной дробины являются продолжительность гидролиза 5 часов и концентрация серной кислоты 3.0%, так как дальнейший гидролиз в течение 6.5 ч с использованием 3.0% и 4.5% H2SO4 приводит к незначительному повышению сахаров. Выход пентозных сахаров на АСВ сырья - 22.1% (3% H2SO4, 5 ч).

Учитывая высокую вероятность влияния степени измельчения пивной дробины на выход пентозного гидролизата, проводилось исследование процесса гидролиза 3%-ной серной кислотой сырья с различной степенью измельчения.

Рис. 2. Влияние степени измельчения пивной дробины на концентрацию пентозных сахаров в гидролизате

Экспериментально показано (рис. 2), что измельчение пивной дробины оказывает эффект в первые 3 часа гидролиза, концентрация сахаров в гидролизатах на 10-12% выше, чем в гидролизатах из исходной пивной дробины. При более длительной обработке сырья (5 часов гидролиза) степень измельчения практически не влияет на содержание сахаров, при 7 часах обработки в гидролизате измельченной пивной дробины наблюдается незначительное сниже-ние концентрации сахаров.

Качественный анализ гидролизатов (на присутствие сахаров) был проведен методами тонкослойной хроматографии (ТСХ) и масспектрометрии. На рис. 3 приведен масс-спектр пробы пентозного гидролизата пивной дробины, полученный методом ионизации: электрон-ный удар на приборе DFS фирмы Thermo Electron Corporation (США). Энергия ионизирую-щих электронов составляла 70 эВ, температура источника ионов 290 єС. Использовалась сис-тема прямого ввода вещества в источник ионов. Температура ампулы-испарителя составляла 120-150 єС.

Рис. 3. Масс-спектр пентозного гидролизата пивной дробины

Обработка масс-спектральных характеристик производилась с использованием про-граммы Xcalibur. Идентификация веществ проводилась путем сравнения экспериментального масс-спектра (рис. 3) с масс-спектрами компьютерного каталога прибора (рис. 4а,б). Наиболее важными осколочными ионами для стандартных растворов ксилозы и арабинозы по компью-терному каталогу являются фрагменты с m/z 43, 60, 73, которые присутствуют в масс-спектрах исследуемых образцов. По данным сравнения спектров с каталогом масс-спектров NIST версия 2.0. изученные пробы представляют двухкомпонентные пробы с содержанием ксилозы и арабинозы.

Методом MALDI-TOF нами было показано присутствие в гидролизате пивной дроби-ны наряду с моносахарами ди-, три- и тетрасахаров: в спектрах наблюдаются фракции с молекулярной массой от 150 до 965 у.е.[8]. Для разделения моносахаров от олигосахаридов использовалась хроматография на колонках с углем. Пентозные гидролизаты пропускали через колонку в виде водного раствора. Для эффективного разделения на каждый грамм смеси сахаров требуется 150 мм3 смеси угля [11]. Так, для разделения смеси, содержащей по 1 г глюкозы, мальтозы и раффинозы, используют колонку диаметром 3.4 см и длиной 17.0 см. Для элюирования пентозных сахаров на колонке с углем использовались растворы этанола (5% и 15%). Фракции отбирались по 8 мл, качественный анализ каждой фракции на содержание арабинозы и ксилозы проводился методом ТСХ (рис. 5). Экспериментально показано (рис. 5), что 9 и 10-ая фракции содержат преимущественно арабинозу. При даль-нейшем элюировании в гидролизате после колонки появляется смесь арабинозы и ксилозы (фракции 11-15). В 16-ой фракции на хроматограмме видно присутствие лишь следовых количеств арабинозы. С 17 по 20 фракции на хроматограммах проявляется чистая ксилоза.

Параллельно пентозные гидролизаты пивной дробины были проанализированы мето-дом ВЭЖХ. Для калибровки были приготовлены модельные смеси с известной концентрацией ксилозы и арабинозы (рис. 6). С использованием программы по обработке хроматографи-ческих данных “Shimadzu LCsolution” рассчитаны концентрации сахаров в гидролизате пив-ной дробины (табл. 3).

Полученные фракции сахаров были объединены в три группы в зависимости от нали-чия того или иного сахара. Количественное определение сахаров в каждой группе проводили титриметрическим методом (табл. 2). кислотный гидролиз пивной дробина

Рис. 4. Масс-спектры компьютерного каталога прибора

Рис. 5. ТСХ фракций пентозного гидролизата после разделения на колонке с углем

Табл. 2. Результаты хроматографического разделения пентозных гидролизатов

Табл. 3. Процентное соотношение пентозных сахаров в гидролизате пивной дробины

Рис. 6. Хроматограмма: а) модельной смеси; б) пентозного гидролизата пивной дробины

Рис. 7. ИК спектр гидролизата пивной дробины, полученного кислотным гидролизом

Обширную информацию о строении углеводов дают инфракрасные спектры (ИК) [12], поэтому для идентификации полученных образцов нами проведено ИК спектроскопическое исследование. Были сняты ИК спектры со стандартного раствора ксилозы и полученных пентозных гидролизатов (рис. 7). В области наиболее высоких частот (3600-2800 см-1) нахо-дятся полосы, отвечающие колебаниям групп, содержащих легкий атом водорода, то есть групп О-Н, С-Н. Полосы поглощения скелета органической молекулы, содержащей связи С-С, С-О, находятся в области 1500-700 см-1. Увеличение кратности связи вызывает повышение частот. Групповые колебания соединений с двойными связями, для наших соединений это колебания С=О групп, лежат в области 1800-1500 см-1. Сравнительный анализ ИК спектров полученных образцов показал наличие основных полос поглощения, характерных для пен-тозных сахаров - ксилозы и арабинозы. Но более уширенный характер спектров исследуемых образцов свидетельствует о присутствии примесей.

Заключение

В настоящей работе исследован кислотный гидролиз пивной дробины. Полученные пен-тозные гидролизаты охарактеризованы с использованием современных физико-химических и аналитических методов.

1. Исследован кислотный гидролиз пивной дробины и найдены рациональные параметры процесса: 3% H2SO4, 5 ч, 100 єС. Выход пентозных сахаров на АСВ сырья - 22.1%.

2. Охарактеризованы полученные пентозные гидролизаты пивной дробины с использова-нием современных физико-химических методов исследования: ИК спектроскопия, масс-спектроскопия, ВЭЖХ.

Литература

[1] Минзанова С.Т., Миронов В.Ф., Карасева А.Н., Миндубаев А.З., Смоленцев А.В., Выштакалюк А.Б., Коновалов В.В. Исследование процесса гидролиза-экстракции пектиновых веществ из яблочных выжимок Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2005. Т.6. №2. С.67-71.

[2] Минзанова С.Т., Миронов В.Ф., Коновалов А.И., Карасева А.Н., Выштакалюк А.Б., Миндубаев А.З., Карлин В.В., Цепаева О.В. Научные основы комплексной переработки фитомассы амаранта. Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2005. Т.7. №4. С.25-35.

[3] Миндубаев А.З., Яхваров Д.Г. Биодеградация как метод переработки отходов. Часть 1. Биодеградация ксенобиотиков. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.33. №3. С.1-37.

[4] Колпакчи А.П., Голикова Н.В., Андреева О.П. Вторичные материальные ресурсы пивоварения. М.: Агропромиздат. 1986. 160с.

[5] Ермолаева Г.А., Колчева Р.А. Технология и оборудование производства пива и безалкогольных напитков. Прикладная биохимия и микробиология. 2000. №3. С.410-416.

[6] Руденко Е.Ю.Современные тенденции переработки основных побочных продуктов пивоварения. Пиво и напитки. 2007. №2. С.66-68.

[7] Антипов С.Т., Фараджева Е.Д., Шахов C.B., Кораблин Р.В., Прибытков А.В. Особенности способа получения пищевой добавки из пивной дробины и остаточных дрожжей. Хранение и переработка сельхозсырья. 2002. № 9. С.27-29.

[8] Фазлиев И.И., Минзанова С.Т., Ахмадуллина Ф.Ю., Миронова Л.Г., Холин К.В, Закиров Р.К. Промывные воды пивной дробины - как источник биогенных веществ в процессах водоочистки. Вестн. Казанск. технол. ун-та. 2012. №15. С.235-237.

[9] Рысбаева Г. С., Кедельбаев Б. Ш., Рахманбердиев Г. Р., Приходько Н. А. Пивная дробина - ценное пентозосодержащее сырье для получения ксилита. Узб. хим. ж. 2009. №6. С.61-64.

[10] И.И.Фазлиев, С.Т. Минзанова, Ф.Ю. Ахмадуллина, Р.З.Мусин, Л.Г. Миронова. Перспективы переработки пивной дробины для получения ксилозы. Вестник Казанского технологического университета. 2010. №11. С.307-311.

[11] Кочетков Н.К. Методы химии углеводов. М.: Мир. 1967. 512с.

[12] Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии: учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа. 1971. 224с.

Аннотация

Пивная дробина является крупнотоннажным отходом пивоваренного производства. Перспек-тивным направлением переработки пивной дробины является использование в качестве нового источ-ника сырья для получения ксилозы и ксилита - ценных продуктов, нашедших применение в качестве сахарозаменителя для питания больных сахарным диабетом. Цель - разработка кислотного гидролиза пивной дробины для получения пентозных гидролизатов, обогащенных ксилозой. Найдены рацио-нальные технологические параметры кислотного гидролиза: концентрация H2SO4 3.0%, температура 100 єС, продолжительность обработки 5 часов.

Ключевые слова: пивная дробина, кислотный гидролиз, ксилоза, ВЭЖХ, ИК спектроскопия.

Размещено на Allbest.ru