3.2.5 Разработка ресурсосберегающей технологии этанола на основе ИК-обработки зерна

Настоящий раздел работы посвящен совершенствованию однопродуктовых схем переработки зерна в этанол путем решения проблем, связанных с качеством поступающего в производство зерна. Его можно целенаправленно изменить, в том числе, применив метод ИК-нагрева. Причем, как отмечено в работах Гинзбурга А.С., Красникова В.В., Зверева С.В., Кирдяшкина В.В. и других глубина и характер данных изменений зависят от режимов обработки, характеристик зерна и требований отрасли. В технологии этанола способ ИК-нагрева зерна до настоящего времени не применялся.

Целенаправленное изменение свойств зерна при ИК-обработке. Работа предусматривала выполнение целого комплекса исследований (рис. 6).

Рис. 6. Параметрическая схема процесса целенаправленного изменения технологических свойств пшеницы и ржи при ИК-обработке зерна: Wз - влажность зерна; tн - температура ИК-нагрева; Е - интенсивность ИК-нагрева; ПВС - параметры внешней среды; ХС - химический состав сырья; ТО - технологические отклонения; Н - натура зерна; П - плотность зерна; Гр.с. - гранулометрический состав помолов; М - модуль крупности; Адр - условная работа дробления; F - максимальное усилие перемешивания замеса; Ауд - удельная энергия деструкции крахмала; Ауд* - удельная энергия деструкции амилозы; Ауд** - удельная энергия деструкции амилопектина; КОЕ - уровень микробиологической чистоты зерна; Кр - условная крахмалистость; Д - массовая доля декстринов; Б - массовая доля растворимого белка; Фат - ферментативная атакуемость крахмала и белка зерна.

В качестве объектов исследования использовали специально подготовленные пробы зерна с W=12,0%; 14,0%; 16,0%; 18,0%. Обработку зерна проводили при температурах 110-150 єС и мощности лучистого потока Е=22-24 кВт/м².

Основным биохимическим показателем, оценивающим влияние способов воздействия на зерно в спиртовом производстве, является «Условная крахмалистость», определяющая выход этанола из единицы сырья.

Установлены допустимые по данному показателю температуры ИК-нагрева для пшеницы (W=12,0% - t=150 °С; W=14,0-18,0% - t=140 °С) и ржи (W=12,0-14,0% -t=140 С; W=16,0-18,0% - t=120 С).

Показано, что ИК-обработка пшеницы и ржи приводит к возрастанию массовой доли декстринов в пробах, причем наиболее существенно, независимо от зерновой культуры, в вариантах с W=16,0-18,0%. Возрастает ферментативная атакуемость крахмала и белка. На величину доступности крахмала к воздействию влияет как вид сырья, так его влажность и температура микронизации. По сравнению с пшеницей уровень повышения ферментативной атакуемости крахмала ржи ниже.

Вероятнее всего, причиной может быть наличие в данной культуре повышенного количества веществ, препятствующих доступу амилаз к крахмалу, в частности растворимых гемицеллюлоз, присутствующих в виде гумми-веществ и слизей.

В целом, ферментативная атакуемость крахмала опытных образцов увеличивается в 1,5-3,5 раза, белков - в 1,5-2,0 раза, что весьма позитивно с позиции оценки технологических свойств сырья спиртового производства.

Эксперименты проводили на 2-х партиях пшеницы: 1-ая - с поврежденной, 2-ая - с неповрежденной оболочкой. Установлено, что эффект ИК-обработки (по показателю кислотности проб) выявлен для обоих образцов зерна в отличие от ГТО, где необходимого уровня снижения кислотности удается достичь только для образца из второй партии.

Для объяснения установленного факта в работе изучена эпифитная и субэпидермальная микрофлора зерна (табл. 13). Установлено, что ИК-обработка позволяет получить зерновку с содержанием микроорганизмов на уровне 1-2 тыс. КОЕ/г. Метод ГТО также эффективно снижает уровень эпифитной микрофлоры, но не действует на субэпидермальную, с чем и связано закисание проб из партии № 1.

Табл. 13. Влияние методов тепловой обработки пшеницы на микрофлору зерна

Температура ИК-нагрева, єС	Образец	ОМЧ, тыс. КОЕ/г	Бактерии, тыс. КОЕ/г	Грибы, тыс. КОЕ/г
		МПА	СА	МПА	СА	МПА	СА
Эпифитная микрофлора
Контроль I (без обработки)	1	320	155	309	137	11	18
	2	67	70	57	59	10	11
Контроль II (ГТО)	1	5	6	3	4	2	2
	2	4	3	3	3	1	-
Опыт (ИК-обработка)	1	2	2	2	2	-	-
	2	2	2	2	2	-	-
Субэпидермальная микрофлора
Контроль I (без обработки)	1	101	91	85	75	16	16
	2	25	22	19	17	6	4
Контроль II (ГТО)	1	55	41	52	34	3	7
	2	7	10	7	9	-	1
Опыт (ИК-обработка)	1	2	2	2	2	-	-
	2	1	1	1	1	-	-

Отдельный этап исследований посвящен выявлению влияния режимов ИК-нагрева на реологические характеристики зерна, путем определения работы, затрачиваемой на дробление (табл. 14, 15), гранулометрического состава помолов, а также анализа углеводно-амилазного комплекса исходного и обработанного зерна (табл. 16).

Установлено, что динамика дробления зерна, определенная по соответствующим кривым, зависит от вида сырья, его исходной влажности и температуры ИК-нагрева. Показано, что эффективность способа ИК-обработки для пшеницы, оцененная по сравнению с контролем по показателю Адр., в целом более существенна при использовании зерна с W=14,0-18,0%, чем проб с W=12,0%. Также выявлено, что на выбор оптимальной температуры ИК-нагрева влияет влажность сырья. Выбранные режимы обработки позволяют снизить энергозатраты на получение мелкого помола из пшеницы на 40-50% по сравнению с контролем, ржи - только на 20-30%. Вероятно, это связано с особенностями химического строения ржи.

Табл. 14. Влияние режимов ИК-нагрева зерна на работу, затрачиваемую на дробление

Темпер. ИК-нагр., єC	Работа, затрачиваемая на дробление (Адр.), усл.ед.
	Пшеница	Рожь
	W=12%	W=14%	W=16%	W=18%	W=12%	W=14%	W=16%	W=18%
Контроль	72,5	77,4	88,7	106,3	86,5	94,5	101,5	-
110	58,2	64,0	64,3	62,5	71,5	73,0	81,2	97,7
120	57,8	47,5	64,1	62,1	61,0	72,8	79,7	89,8
130	52,3	60,3	50,2	59,7	61,8	75,3	79,2	86,8
140	48,0	50,5	57,0	50,0	57,7	71,2	76,7	83,0
150	36,5	39,7	47,4	50,5	53,0	66,7	72,0	78,5

Для подтверждения выдвинутого предположения в работе были сняты кривые дробления опытных образцов шелушенного зерна пшеницы и ржи. Обработка данных кривых показала (табл. 15), что прослеживается четкая зависимость между исходной влажностью ржи и разницей в работе, затрачиваемой на дробление целого и шелушенного зерна, подвергнутого ИК-нагреву. Вероятно, с повышением влажности ржи возрастают пластические деформации в оболочках зерна за счет растворения находящихся в них гумми-веществ и слизей и заполнения ими капиллярно-пористой структуры поверхностных тканей.

Исследование гранулометрического состава помолов позволило выявить, что процентное содержание крупной фракции в помолах из обработанного зерна, значительно ниже, чем из исходного; эффективность процесса дробления возрастает с увеличением температуры ИК-нагрева; минимальное значение процента снижения крупной фракции соответствует пробам пшеницы с W=12,0%, а максимальное значение имеют образцы с W=18,0%.

Табл. 15. Влияние шелушения ИК-обработанного зерна на Адр.

Влажность зерна	Работа, затрачиваемая на дробление (Адр.), усл.ед.
	до шелушения	после шелушения
	пшеница	рожь	пшеница	рожь
W=12%	57,8	61,0	55,1	59,2
W=14%	47,5	72,8	43,7	63,7
W=16%	64,1	79,7	61,0	66,2
W=18%	62,1	89,8	57,9	75,7

При анализе углеводно-амилазного комплекса исходного и микронизированного зерна пшеницы установлены следующие зависимости: выявлены оптимальные по значениям энергии деструкции опытные образцы пшеницы, прошедшие стадию ИК-нагрева; показано, что максимальный эффект по снижению значения показателя энергия деструкции крахмала установлен для образцов с W=14,0-16,0%, прошедших микронизацию при t=120-130 °С (табл. 16).

Табл. 16. Влияние режимов ИК-нагрева зерна на параметры амилограмм

Темпер. ИК-нагрева, °С	Энергия деструкции крахмала, Дж/г	Максимальное усилие перемешивания, Н
	W=12%	W=14%	W=16%	W=18%	W=12%	W=14%	W=16%	W=18%
Контроль	2,372	2,201	2,295	2,170	1,53	1,47	1,62	1,60
110	2,350	1,870	1,417	1,609	1,50	1,33	1,25	1,47
120	2,273	1,903	1,393	1,580	1,57	1,28	1,30	1,42
130	2,145	1,295	1,528	1,873	1,41	1,18	1,33	1,39
140	2,016	1,567	1,603	1,927	1,35	1,30	1,41	1,50
150	2,057	1,490	1,715	1,950	1,37	1,26	1,40	1,56

Информация о деструкции амилозы и амилопектина, а также о температуре перехода упорядоченной структуры зерен крахмала в неупорядоченное состояние получена на основании анализа кинетики изменения реологических свойств клейстеризованной водно-мучной суспензии при анализе амилограмм, на которых специально выделяется два пика клейстеризации. Математическая обработка таких амилограмм может быть описана уравнением вида:

F(t)=а₁ · Ехр [л₁· (t - b₁)²] + а₂ · Ехр [л₂ · (t - b₂)²] + с

где: а₁, а₂ и b₁, b₂ - максимумы вязкости F₁ и F₂ (Н) и соответствующие им температуры t₁, t₂ (°С); л₁, л₂ - скорости деструкции крахмальных фракций (с^-1); с - минимальная вязкость (Н).

Установлено, что во всех образцах энергия, необходимая для деструкции амилопектинной фракции, значительно превосходит энергию, затрачиваемую на разрушение амилозы. В среднем превышение составляет в 2-5 раз. Также показано, что при использовании в качестве образца пшеницы с W=12,0% уровень снижения энергии деструкции крахмала идет за счет фракции амилозы, а при использовании зерна с W=14,0% в лучших вариантах за счет фракций и амилозы, и амилопектина.

Разработка реологической модели ИК-обработанного зерна

Управление качеством продуктов возможно при наличии разработанной математической модели, отражающей связи, например, показатели реологических свойств полупродуктов с управляющими параметрами на каждой стадии процесса.

После снятия кривой релаксации напряжений определен вид ее математической модели (формулы 1, 2) и установлены численные значения параметров реологического поведения зерна - модулей упругости (Е1, Е2, Е3) и вязкости (1, 2).

₀=[₁exp(-₁ф)+₂exp(-₂ф)]+₃ [1]

[2]

= F/S; S=р·d²/4; = Е

Условные обозначения: ₀ - общее нормальное механическое напряжение, Па; ₁ - нормальное напряжение после мгновенной релаксации, Па; ₂ - нормальное напряжение после длительной релаксации, Па; ₃ - нормальное остаточное напряжение, Па; (ф) - текущее напряжение, Па; ₁, ₂ - скорость мгновенной и длительной релаксации механических напряжений, с^-1; ф - текущее время, с; , , - соответствующие модули упругости, Па; , - коэффициенты динамической вязкости, Па•с; - относительная деформация; F - усилие нагружения, Н; S - площадь индентора, м²; d - диаметр индентора, м.

Данная математическая модель позволяет установить зависимость реологических показателей от влажности зерна и режимных параметров ИК-обработки, и с учетом комплекса проведенных исследований рекомендовать оптимальные режимы микронизации зерна, предназначенного для переработки в спиртовой отрасли.

Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна пшеницы

ИК-обработка при оптимальных для соответствующих влажностей зерна температурах нагрева существенно улучшает технологические свойства исходного сырья, что дает основание предложить способ получения сусла по методу «холодного» затирания (t=58-60 °С, ф=4-5 ч), при разработке режимов которого в качестве варьируемых параметров исследовались нормы дозировок амилолитических и протеолитических ферментных препаратов.

Установлено, что независимо от варианта получения сусла все образцы, где в качестве сырья применяли ИК-обработанную пшеницу, характеризовались повышенным содержанием в них растворимых сухих веществ в сравнении с образцами, полученными из исходного зерна (14,83-15,80% против 13,45-14,16%).

Были определены рациональные нормы ферментных препаратов - использование 2,0 ед.АС и 5,0 ед.ГлС на 1 г условного крахмала зерна. Показано, что ввод в замес микробных протеаз повышает уровень перехода веществ зерна в сусло.

При сравнении контрольных образцов сусла установлено (табл. 17), что, несмотря на использование в КII более мелкого помола (100%-ный проход через сито d=1,0 мм), чем традиционно применяемого в типовых схемах, метод «холодного» затирания не позволяет достичь показателей качества сусла КI. Вместе с тем, переработка микронизированного зерна по предлагаемому способу перспективна. Лучшие опытные образцы ОII и ОIII характеризуются большим накоплением сбраживаемых углеводов, в том числе свободных редуцирующих сахаров. В них в 1,3-2,8 раз увеличивается содержание аминного азота, возрастает видимая доброкачественность сусла.

При сбраживании сусла в качестве основных целей были поставлены задачи интенсификации процесса, достижения максимального выхода этанола и минимальное накопление примесей в зрелой бражке. В качестве варьируемых параметров исследовались продолжительность сбраживания и норма задачи дрожжей.

Табл. 17. Сравнительная характеристика показателей качества сусла

Показатели сусла	Образцы сусла по вариантам
	К I	К II	О I	О II	О III
Массовая доля, %:
- сухие вещества	15,93	14,17	15,09	15,76	15,40
- сбраживаемые углеводы	11,52	10,20	11,60	11,95	11,94
- редуцирующие сахара	3,05	4,07	4,83	5,02	4,94
- аминный азот	0,06	0,06	0,03	0,08	0,17
Видимая доброкачественность, %	72, 3	72,0	76,9	75,8	77,5

К I - исходное зерно, режим Регламент; К II - исходное зерно, разработанный режим; О I, О II, О III - ИК-обработанное зерно, разработанный режим без внесения протеаз, с внесением Нейтразы и Алкалазы соответственно

Впервые установлено, что качественный состав примесей опытных образцов бражки, полученных из ИК-обработанного зерна, аналогичен составу бражки из необработанного зерна. Также показано, что нормы засева дрожжей и продолжительность сбраживания влияют на суммарное количество примесей и их состав.

Для выявления оптимальных параметров процесса брожения полученные данные были математически обработаны. Установлено, что максимальное содержание этанола в бражке при минимальном накоплении летучих примесей соответствует варианту: время брожения 60 ч, норма задачи дрожжей 15,0 млн/см³ сусла.

Таким образом, доказана перспективность введения в технологию этанола стадии ИК-обработки зерна и перевода процесса на способ «холодного» затирания.

Новое техническое решение, положенное в основу данной технологии, защищено патентом РФ № 2265663. Кроме того, на основе ИК-нагрева разработаны и другие технологии этанола, защищенные патентами РФ № 2221872, № 2301261.

3.2.6 Разработка ресурсосберегающей технологии этанола из инулинсодержащего сырья (топинамбура)

Одним из возможных путей решения проблем спиртовых заводов, связанных с низкой рентабельностью и трудностями в снабжении предприятий сырьем, является использование в технологии нетрадиционных видов, например, топинамбура.

Исследование фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура

Выход и качество этанола при переработке сырья зависят во многом от его химического состава, определяющими показателями которого являются углеводы, в топинамбуре - фруктозаны, целлюлоза, гемицеллюлозы и пектиновые вещества.

В работе впервые было проанализировано содержание инулина и пектиновых веществ по анатомическим частям топинамбура и установлено (табл. 18), что основная масса фруктозанов (до 80%) сосредоточена во внутренних слоях. Пектиновые вещества (60-75%) наоборот концентрируются в периферийных слоях клубней.

Табл. 18. Распределение инулина и пектиновых веществ по анатомическим частям

Показатели	Анатомические части топинамбура
	Покровный слой	Верхний слой	Внутренний слой
Массовая доля инулина в пробе, % на С.В.	19,7-21,2	78,8-83,7	79,2-94,3
Содержание инулина в пробе, % от общего в топинамбуре	3,4-3,7	10,2-11,5	79,1-82,1
Массовая доля пектиновых веществ в пробе, % на С.В.	10,95-18,77	0,73-1,47	0,80-0,97
Содержание пектиновых веществ в пробе, % от общего в топинамбуре	61,4-74,7	3,2-4,5	22,2-22,7

Для оценки свойств сырья кроме общего содержания фруктозанов, принципиальное значение имеет и их фракционный состав. В соответствии с разработанной схемой в образцах топинамбура определены фракции и установлено их содержание: ФI-свободные сахара (незначительно); ФII-среднемолекулярные фракции фруктозанов (29,1-33,9%); ФIII-высокомолекулярные фракции фруктозанов (41,0-54,4%). Причем следует учесть плохую растворимость последних.

Определение содержания и изучение свойств пектина и протопектина

Имеющихся в литературе сведений по характеристике пектинового комплекса клубней недостаточно, чтобы прогнозировать влияние параметров его переработки на качество этанола. Необходимо знать соотношение в нем растворимого и нерастворимого пектина. Проведенный анализ образцов топинамбура показывает, что они характеризуются преобладанием протопектина (78,6-89,9% от общего содержания).

Этот факт рассматривается в спиртовой отрасли как позитивный.

Впервые изучены свойства гидрато- и протопектина топинамбура. Для этого получены образцы сухого пектина по схеме, параметры в которой выбраны на основании получения пектина из традиционных видов сырья. Установлено, что покровные и особенно внутренние слои топинамбура, из которых выделяли пектин в настоящей работе, содержали значительные количества растворимых углеводов. Для устранения возможного влияния фруктозанов топинамбура на физико-химические свойства образцов сухого пектина была проведена предварительная очистка сырья. При этом покровные слои топинамбура рассматривались как сырье для выделения протопектина, а внутренние - растворимого пектина.

Анализ полученных образцов пектина (всего 8) показал, что исходный состав сырья оказывает сильное влияние на содержание в них полигалактуроновой кислоты, к примеру, ее массовая доля увеличивается для вариантов получения протопектина из сырья с очисткой с 31,0-33,8% до 64,2-67,1% (табл. 19).

Табл. 19. Анализ образцов сухого пектина, полученных из покровных слоев клубней

Показатели	Образец I	Образец II
	без очистки	после очистки	без очистки	после очистки
Массовая доля свободных карбоксильных групп, % на С.В.	3,03	6,16	2,75	6,04
Массовая доля ацетильных групп, % на С.В.	0,05	0,09	0,03	0,15
Массовая доля метоксилированных карбоксильных групп, % на С.В.	5,17	9,41	4,80	10,15
Степень метоксилирования, %	63,0	60,4	63,6	62,7
Содержание метоксильных групп, %	3,6	6,5	3,3	7,0
Массовая доля полигалактуроновой кислоты, % на С.В.	33,8	64,2	31,0	67,1

Вероятнее всего выделение пектина и его последующее осаждение этанолом из сырья, содержащего большое количество балластных соединений (фруктозанов), сопровождается переводом в осадок сопутствующих веществ, которые не в полной мере удаляются при отмывке образцов по принятой классической схеме.

Вместе с тем, установлено, что 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%, то есть гидрато- и протопектин топинамбура относится по классификации к Н-пектину (высокоэтерифицированному).

Характеристика ферментного комплекса топинамбура

Для выбора перспективных направлений в области создания высокоэффективных технологий переработки топинамбура в этанол необходимы дополнительные данные по характеристике ферментов, участвующих в гидролизе фруктозано-пектиназного комплекса. В работе была определена суммарная гидролазная активность и активность свободных форм инулиназ. Установлено, что суммарная гидролазная активность составляла 0,63-0,97 ед. ИЕ/г топинамбура. Также показано, что среди инулиназ преобладали связанные формы. Пересчет инулиназной активности на 1 г инулина сырья позволил точнее оценить ее с позиции спиртовой отрасли. В образцах клубней общая гидролазная активность находилась на уровне 3,3-4,5 ед. ИЕ/г инулина сырья, то есть была в 1,5-2,0 раза меньше принятой в отрасли нормы глюкоамилазной активности. Поэтому была предпринята попытка активизировать собственные инулиназы топинамбура.

В литературе нет данных по указанному вопросу. Среди исследованных способов активации: добавление в затор дрожжевого автолизата, обработка среды с использованием кавитационного воздействия; внесение в дробленую массу топинамбура ионов Ca⁺², последний оказался наиболее эффективным (табл. 20).

Табл. 20. Влияние концентрации CaSO₄ на степень гидролиза углеводов топинамбура

Концентрация CaSO4, % к массе сырья	Массовая доля свободных сахаров, % на С.В.	% к контролю
	Гидромодуль 1:0,5	Без H2O	Гидромодуль 1:0,5	Без H2O
Контроль	22,79	13,03	100	100
0,005	26,15	15,14	115	116
0,01	35,07	17,69	154	136
0,05	31,04	14,06	136	108
0,1	12,43	7,62	59	58
0,5	10,14	7,04	44	54

Установлено, что при определенной дозировке ионов Ca⁺² наблюдается значительное увеличение в сусле содержания свободных сахаров.

В работе были определены оптимальные условия действия инулиназ топинамбура. Установлено, что инулиназы проявляют максимальную активность в нейтральной среде при t=45-50 єC. В слабокислой среде их активность составляет 75-80% и резко снижается в щелочной зоне рН. Внесение ионов Са⁺² в концентрации 0,01% CaSO₄ к массе сырья активирует инулиназы клубней (при pH 6,0 на 30%) и расширяет температурный диапазон их действия, что позитивно влияет на процесс получения и сбраживания сусла.

В целом, путем подбора оптимальных условий действия общая гидролазная активность топинамбура может быть повышена до 4,5-6,0 ед. ИЕ/г инулина сырья.

В результате определения пектинэстеразной активности клубней установлено (табл. 21), что при расчете на 1 г топинамбура она составляет 0,22-0,35 ед., а на 1 г пектина сырья варьируется в пределах 36,6-41,9 ед.

Установлено, что пектинэстераза топинамбура проявляет максимальную активность в нейтральной среде при рН 6,0-7,0 и t=40-45 С. Путем подкисления сусла до рН 4,5-5,0 можно снизить ее активность на 25-50%. При t=30С, то есть температуре сбраживания, пектинэстераза топинамбура активна. Внесение в замес ионов Са⁺² повышает ПЭ в среднем на 10-15%.

Табл. 21. Пектинэстеразная активность клубней топинамбура

Пектинэстеразная активность	Топинамбур
	Образец I	Образец II	Образец III	Образец IV
ПЕ, ед/г топинамбура	0,27	0,24	0,22	0,35
ПЕ, ед/г пектина сырья	36,6	39,5	41,9	38,4

Обобщая все вышесказанное, можно отметить, что новые, полученные в ходе выполнения работы данные, по характеристике ферментного комплекса топинамбура, позволяют более обоснованно подойти к вопросу переработки данного нетрадиционного сырья и прогнозировать параметры стадий получения из него этанола.

Сравнительная характеристика способов подготовки клубней к сбраживанию

Все известные в литературе методы, направленные на изменение фруктозанов сырья в сторону процентного повышения в них фракций ФI и ФII (цель и настоящей работы), можно сгруппировать на осуществляемые с помощью: кислотного гидролиза, механической деструкции и ферментативного гидролиза.

Установлено, что кислотный гидролиз не может быть рекомендован для подготовки клубней, предназначенных к переработке в этанол, так как в зависимости от температуры, либо незначительно деструктурирует углеводы, либо разрушает их. Также не целесообразно ориентироваться на использование механических методов.

Наиболее перспективный способ - ферментативный гидролиз инулина, который может быть осуществлен как под действием собственных инулиназ сырья, так и ферментных препаратов, обладающих данной активностью. В работе использовался ферментный препарат Ксилоглюканофоетидин П10х.

В связи с отличиями в значениях оптимального рН для действия инулиназ топинамбура и препарата Ксилоглюканофоетидин П10х были проведены исследования по определению влияния параметра рН на эффективность их совместного действия.

Установлено (рис. 7), что экзо- и эндоинулиназы топинамбура и ферментного препарата дают два пика, причем суммарная активность инулиназ при значениях рН, близких к нейтральным (оптимум действия инулиназ топинамбура), примерно в 1,5 раза выше, чем в кислой среде (оптимум действия инулиназ препарата), а поэтому далее исследовалась возможность получения сусла из клубней, предусматривающего самоосахаривание сырья только за счет своего ферментного комплекса.

Рис. 7. Влияние рН среды на процесс гидролиза массы из топинамбура под действием собственных инулиназ сырья и препарата Ксилоглюканофоетидин П10х

Установлено, что при обработке смеси, состоящей из измельченного топинамбура, воды и с внесенными для активации инулиназ сырья ионами Са⁺², в течение 3-х часов при естественном pH среды в пробах, выдержанных при t=50-60 °C, накапливается максимальное количество свободных сахаров (30-33%), что соответствует примерно 40% от общего содержания фруктозанов в топинамбуре.

Влияние способов асептирования на микробиологическую чистоту сусла и физиологическое состояние спиртовых дрожжей

Исключив из технологии стадию высокотемпературной обработки сырья, то есть классическое разваривание замеса, возникает угроза инфицирования сусла посторонними микроорганизмами. Поэтому возникает необходимость применения альтернативных вариантов, повышающих микробиологическую чистоту сусла.

В настоящей работе исследованы следующие способы: высокотемпературный нагрев (Контроль), с применением асептического препарата формалина или антибиотика низина. Данных по применению последних в технологиях этанола из топинамбура в литературе не обнаружено.

Асептирование сусла осуществляли 4,0%-ным раствором формалина из расчета 0,5%, 0,75% и 1,5% к объему сусла (образцы соответственно О1_(ф), О2_(ф), О3_(ф)) и при внесении в среду 100 ед., 1000 ед. и 10000 ед. низина на 100 см³ сусла (образцы соответственно О1_(н), О2_(н), О3_(н)) (табл. 22).

Табл. 22. Содержание микроорганизмов в процессе сбраживания сусла из топинамбура с использованием дрожжей S. cerevisiaе расы XII

№ опыта	Количество микроорганизмов
	24 часа брожения Бактерии, тыс. КОЕ/см3	72 часа брожения Бактерии, тыс. КОЕ/см3
	Спорообр.	Кислотообр.	Спорообр.	Кислотообр.
Контроль	-	-	-	-
О1(ф)	73	28	190	48
О2(ф)	17	1	15	3
О3(ф)	4	1	4	1
О1(н)	75	29	88	31
О2(н)	10	3	12	3
О3(н)	3	-	1	-

Установлено, что применение формалина при обработке сусла из топинамбура дает хороший эффект при норме задачи 0,75-1,5% к объему сусла, а низина, взятом в количестве 1000…10000 ед./100 см³ сусла.

Природа асептика влияет и на физиологическое состояние дрожжей, которое в работе оценивали по бродильной активности, количеству почкующихся, мертвых клеток и клеток с гликогеном. Показано, что формалин, относящийся к плазматическим ядам, может быть использован до концентрации 0,75% 4,0%-ного формалина к объему сусла; при 1,5% - угнетается развитие спиртовых дрожжей.

Норма задачи низина, достаточная для поддержания асептической чистоты среды, не оказывает отрицательного влияния на спиртовые дрожжи.

Исследование процесса сбраживания сусла из топинамбура

Цель данного этапа - определить расы спиртовых дрожжей, применение которых максимально удовлетворит требованиям отрасли при переработке топинамбура, а также подобрать способы получения засевных дрожжей с позиции привыкания дрожжевых клеток к сбраживанию инулинсодержащего сырья.

В работе применяли чистые культуры спиртовых дрожжей: XII, J-563 и термотолерантная, из которых засевные дрожжи получали методом последовательных пересевов на разные среды: солодовое сусло, смесь солодового сусла и сока топинамбура (1:1), смесь солодового сусла и гидролизата сока топинамбура (1:1), сок топинамбура.

Установлено, что для сбраживания сусла из топинамбура лучше использовать XII расу, либо термотолерантную. Оптимальным способом производства дрожжей является на стадии разбраживания - среда, состоящая из смеси солодового сусла и гидролизата сока топинамбура; на стадии накопления биомассы - та же среда для XII расы, либо сок из топинамбура - для термотолерантной расы.

Выращивание засевных дрожжей по указанным режимам способствует большему накоплению дрожжевых клеток (для XII расы до 140 млн/см³ против 105 млн/см³ в контроле), возрастает процентное содержание клеток с гликогеном.

Результаты сравнительного анализа образцов бражки (табл. 23) показали, что максимальное количество спирта накапливается при сбраживании сусла (образцы О(ф), О(ф)ґ- асептирование формалином 0,75%; О(н), О(н)ґ- асептирование низином 1000 ед/100 см³), не прошедшего на стадии подготовки гидротермической обработки, то есть с сохраненной активностью собственных ферментов сырья.

Также отмечено, что использование низина для поддержания асептики процесса, вместо применения относительно «жесткого» препарата - формалина, предпочтительнее, если сбраживание проводят при t=28-30 °С. При прочих равных условиях концентрация спирта в бражке возрастает на 0,56% об. Однако применение низина для сбраживания сусла при повышенных температурах не эффективно.

Табл. 23. Сравнительная характеристика состава образцов бражки

Показатели бражки	Образцы бражки по вариантам
	Раса XII	Термотолерантная раса
	К1	К2	О(ф)	О(н)	К1ґ	К2ґ	О(ф)ґ	О(н)ґ
Крепость дистиллята, % об.	7,25	5,90	7,03	7,59	6,95	5,41	7,26	6,90
Массовая концентрация растворимых углеводов, г/100 см3	0,37	0,85	0,24	0,10	0,40	0,72	0,09	0,15
Выход спирта из 1 т условного крахмала, дал	64,7	60,3	64,6	65,1	64,3	61,0	64,8	64,4

К1-сусло из картофеля по схеме с развариванием;

К2-сусло из топинамбура по схеме с развариванием и осахариванием Ксилоглюканофоетидином

Впервые установлено, что качественный состав примесей бражки опытных образцов и контрольного, полученного при переработке картофеля, идентичен (табл. 24).

Вместе с тем, выявлено значительное влияние технологических факторов на процесс их образования. Высокотемпературная обработка топинамбура негативно отражается на качественных показателях бражки: идет образование соединений угнетающе действующих на дрожжи, происходит распад пектиновых веществ, как за счет температурного фактора, так и вследствие ферментативного гидролиза. Препарат Ксилоглюканофоетидин П10х обладает экзополигалактуроназной активностью.

Табл. 24. Сравнительный анализ образцов бражки по содержания основных примесей

Основные примеси, мг/дм3 безводного спирта	Образцы бражки по вариантам
	К1	К2	О(ф)	О(н)
Ацетальдегид	82,5	102,7	76,5	10,9
Метилацетат	10,7	273,5	190,4	142,6
Этилацетат	351,6	94,8	52,1	-
Метанол, % об.	0,10	0,38	0,15	0,11
1-пропанол	522,0	208,3	219,0	196,5
Изобутанол	1016,9	1427,2	1100,5	1250,4
1-бутанол	53,7	220,9	133,4	181,2
Изоамилол	2300,6	3160,3	2481,5	2095,7
Суммарное количество примесей	4338,0	5487,7	4253,4	3877,3

Кроме того, установлено, что образование примесей в бражке зависит от способа асептирования сусла. Так, к примеру, в процессе сбраживания сусла из топинамбура, обработанного низином, при t=28-30 °C накапливается в среднем на 10-15% меньше примесей, чем при использовании формалина. Также состав примесей бражки зависит и от специфических особенностей используемых рас дрожжей.

Таким образом, оптимальными способами производства этилового спирта из топинамбура являются те, которые включают:

- на стадии подготовки сырья к сбраживанию: гидролиз инулина топинамбура под действием собственных инулиназ, активированных внесением в среду ионов Са⁺²;

- на стадии сбраживания: подготовку засевных дрожжей путем последовательного размножения на средах с адаптацией их к ее составу; выбору оптимального асептирующего средства в зависимости от расы дрожжей и температуры сбраживания.

Перспективность получения этилового спирта из инулинсодержащего сырья - топинамбура подтверждена патентами РФ № 1369034 и № 2144084.

3.2.7 Разработка комплексной технологии переработки топинамбура на этиловый спирт и пектинопродукты

Самыми перспективными с позиции максимального использования сырья, являются многопродуктовые схемы его переработки. В полной мере это относится и к топинамбуру. Для комплексного использования клубней в спиртовой отрасли необходимо выделить из сырья жидкую фазу (осветленное сусло), направив ее на сбраживание, а твердую фазу (жмых) - для выработки пектинопродуктов.

В работе рассмотрены три варианта получения осветленного сусла:

1 - выделение из измельченного топинамбура сока путем прессования.

2 - выделение из измельченного топинамбура сока путем прессования и дополнительный перевод фруктозанов в сусло путем обработки мезги (2-х ступенчатая схема).

3 - осахаривание смеси из измельченного топинамбура с водой с последующим прессованием пульпы и выделением жидкой фазы (1-но ступенчатая схема).

В качестве критериев оценки эффективности процесса разделения были выбраны:

1 - максимальный выход жидкой фазы из единицы перерабатываемого топинамбура и перевод в нее максимального количества фруктозанов;

2 - минимальный перевод в жидкую фазу пектиновых веществ сырья;

3 - самоосахаривание фракций ФII и ФIII под действием собственных инулиназ сырья.

Установлено, что из трех рассмотренных вариантов получения осветленного сусла из топинамбура самым перспективным является способ самоосахаривания смеси из измельченного топинамбура с водой с последующим прессованием пульпы.

Вместе с тем, проведенный далее анализ образцов осветленного сусла показал, что по данному способу в жидкую фазу можно перевести не более 55-60% фруктозанов от их исходного содержания в сырье. Решить проблему повышения процента перевода фруктозанов в осветленное сусло, путем увеличения длительности самоосахаривания (до 12 ч.) не удалось. Установлено, что 30-35% потенциально сбраживаемых углеводов сырья остаются в жмыхе. Причем в нем преобладает фракция ФIII, представленная нерастворимыми фруктозанами (табл. 25).

Табл. 25. Фракционный состав углеводов жмыха

Схема получения осветленного сусла	Влага, %	Массовая доля, % С.В. Фракции инулина
		ФI	ФII	ФIII
1-но ступенчатая	57,5	11,7	5,0	42,7
2-х ступенчатая	59,0	2,0	10,3	51,2

Вероятно, данная часть углеводов находится в клубнях в связанном состоянии, что препятствует их ферментативной деструкции.

Внесение на стадию самоосахаривания ферментных препаратов протеолитического и цитолитического действия могло способствовать разрушению клеточных стенок и улучшить процесс получения жидкой фазы. Их влияние контролировали по выходу сусла и содержанию в нем фруктозанов (суммы ФI и ФII).

Показано (табл. 26), что лучшими являются опыты с использованием препаратов Нейтраза и Целловиридин Г20х в оптимальных дозировках: 4 ед. ПС и 2 ед.ОЦС на 1 г сухого вещества сырья. Из лучших ферментных препаратов составили МЭК и установили соотношение Нейтразы и Целловиридина Г20х (3:1). Установлено, что использование МЭК вместо отдельных препаратов повышает сумму ФI и ФII на 1,5-2%.

Табл. 26. Влияние обработки затора ферментными препаратами на переход фруктозанов в сусло

Название ферментного препарата	Объем сусла из 100г топинамбура, см3	Массовая доля фруктозанов в сусле, %	Содержание фруктозанов в сусле, % от исходного в сырье
Контроль	62	16,5	60,7
Целловиридин Г20х	68	19,8	79,9
Целлюкласт	65	16,5	63,6
Нейтраза	70	18,6	77,3
Алкалаза	67	19,1	75,9

Нами показано, что введение в затор активных протеаз и цитаз приводит к снижению массовой доли фракции ФIII до остаточного содержания 3-5%. Вероятно, высокомолекулярные фруктозаны высвобождаются из связанного состояния и становятся доступными для гидролиза инулиназами сырья.

Кроме влияния ферментов протеолитического и цитолитического действия на переход фруктозанов в осветленное сусло исследовалось их действие на пектиновый комплекс сырья. Установлено (табл. 27), что использование препаратов повышает массовую долю пектина в сусле. Максимальная степень гидролиза протопектина сырья выявлена для образца III, минимальная - для образца II.

Табл. 27. Влияние обработки затора ферментными препаратами на переход пектина в сусло

Показатели	Варианты получения сусла
	Образец I (Контроль)	Образец II (Нейтраза)	Образец III (Целловиридин)	Образец IV (МЭК)
Массовая доля в сусле растворимого пектина, %	0,11	0,15	0,66	0,29
Переход протопектина в сусло, % от исходного в сырье	1,4	7,9	77,7	35,1

В работе была проведена оптимизация параметров процесса получения осветленного осахаренного сусла из топинамбура методом латинских прямоугольников и определены оптимальные технологические режимы: время самоосахаривания затора - 4 часа; температура самоосахаривания затора - 55 єС; содержание Целловиридина Г20х в МЭК - 5%.

Таким образом, в результате углубленных исследований по изменению фруктозано-пектиназного комплекса топинамбура при получении осветленного сусла, удалось перевести максимальное количество фруктозанов сырья в жидкую фазу, провести их глубокую деструкцию и сконцентрировать негативно влияющие на производство этанола соединения - пектиновые вещества в жмыхе.

Новое техническое решение, положенное в основу процесса получения осветленного сусла, защищено патентом РФ № 2301832.

3.2.8 Разработка технологических схем производства, нормативной документации. Расчет экономической эффективности

На основании проведенных исследований разработаны технологические схемы переработки крахмало- и инулинсодержащего сырья в спиртовой отрасли:

- переработки зерна в этанол и кормопродукт на основе биообработки сырья;

- переработки зерна в этанол и белковый продукт путем выделения и целевого использования дифференцированных фракций сырья;

- получения спирта из зерна, прошедшего стадию ИК-обработки, при переводе процесса на низкотемпературный, одноступенчатый способ «холодного» затирания;

- получения этилового спирта из топинамбура на основе самоосахаривания сырья под действием собственных активированных инулиназ клубней.

Приведено описание аппаратурных схем разработанных технологий.

На основании перечисленных технологических схем и опытно-промышленных проверок технологий разработаны опытно-промышленные Регламенты, утвержденные в установленном порядке, а также рассчитана условно-годовая экономия, составившая для завода производительностью 3000 дал/сут, в зависимости от технического решения 3,61-19,87 млн. руб.

В целом, выполненные исследования позволят отечественным спиртовым предприятиям в условиях жесткой конкуренции решить остростоящие проблемы, связанные с положением сырьевой базы отрасли, с выпуском продукции, отвечающей требованиям потребителя одновременно по двум параметрам: качество и себестоимость, а также сложной экологической обстановкой заводов и их низкой рентабельностью.

Выводы

1. На основании изучения комплекса реологических характеристик при исследовании крахмалосодержащего сырья и изменений в нем в процессе переработки впервые для спиртовой отрасли рекомендованы новые методы, позволяющие оценить изменения прочностных свойств зерна в зависимости от видов воздействия на него и выявить субстратную специфичность технологических сред.

2. На основании изучения методов выделения и исследования состава дифференцированных фракций зерна разработан новый биотехнологический способ его предобработки, положенный в основу комплексной технологии этанола и кормопродукта.

2.1. Установлено, что предобработка зерна с использованием препаратов цитолитического комплекса перед выделением фракций, позволяет в зависимости от режимов, природы препарата и его дозировок целенаправленно изменять технологические свойства сырья: снижать потери крахмала с выделяемой фракцией, проводить деструкцию некрахмальных полисахаридов в ней, повышать степень доступности крахмала фракции эндосперма к ферментативному воздействию.

2.2. Исследование процессов получения и сбраживания сусла из зерна, прошедшего стадию биотехнологической обработки, показало, что возможна переработка сырья по многопродуктовой схеме без снижения выхода этанола при одновременном повышении его качественных характеристик, а также снижении содержания высокомолекулярных некрахмальных полисахаридов во фракции, предназначенной к выработке кормопродукта.

2.3. Технология этанола и кормопродукта при переработке зерна защищена патентом РФ № 2162103. Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции составила 6,864 млн. руб.

3. На основании выделения дифференцированных фракций и их целевом использования разработана комплексная технология переработки зерна на этиловый спирт и пищевые белковые продукты.

3.1. Установлены параметры выделения белков из фракций зерна и зерносмесей. Впервые показано, что выход белка, его биологическая ценность зависят от фракционного и аминокислотного составов белков сырья.

3.2. Впервые детально исследован химический состав вторичных продуктов переработки фракций, на основе которых научно обоснована целесообразность использования крахмало-белкового продукта и сыворотки в технологии этанола. Установлено, что использование данных вторичных продуктов при приготовлении замеса позитивно влияло на процесс получения и сбраживания сусла.

3.3. Технология этанола и белковых продуктов (препаратов или композитов) защищена патентами РФ №2180921 и №2210595. Условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции составила 19,87 млн. руб. за счет выработки высококачественного этанола и дефицитных пищевых белковых продуктов.

4. Разработана ресурсосберегающая технология из ИК-обработанного сырья, в основу которой положен способ целенаправленного изменения исходных технологических свойств зерна.

4.1. Выявлена корреляционная зависимость биохимических, микробиологических и реологических характеристик зерна от его вида, влажности и температуры микронизации. Разработана реологическая модель, позволяющая оценить глубину данных изменений и обосновать выбор режимов ИК-нагрева.

4.2. Установлено, что ИК-нагрев сырья позволяет получать сусло по низкотемпературному одноступенчатому способу «холодного» затирания, что упрощает аппаратурную схему производства, снижает энергозатраты, увеличивает выход этанола.

4.3. Технология этанола из ИК-обработанного зерна защищена патентами РФ № 2221872, № 2265663, № 2301261. Условно-годовая экономия от снижения себестоимости про...