Способ снижения эффективной температуры хемогидротермического разваривания крахмалистого сырья

В. А. Сотников, В. С. Гамаюрова, В. В. Марченко

СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ХЕМОГИДРОТЕРМИЧЕСКОГО РАЗВАРИВАНИЯ КРАХМАЛИСТОГО СЫРЬЯ

В работе представлены результаты опытно-промышленных испытаний технологии хемогидротермического разваривания ржаного сырья. Показано, что эффективную температуру разваривания можно снизить препаратом «Дистамил», который способствует снижению термоустойчивости крахмала. Снижение ЭТР улучшает сенсорные и физико-химические характеристики спирта сортов «Высшая очистка» и «Экстра»

Под эффективной температурой разваривания (ЭТР) крахмалистого сырья принято понимать ту температуру при которой может быть получен максимальный выход спирта при минимизации энерго- и ресурсозатрат. ЭТР зависит от многих факторов: от принятого в производстве технологического способа подготовки сырья к сбраживанию, от ботанического состава сырья, от качества его измельчения, от длительности разваривания, от природы осахаривающих материалов и т.д. В настоящее время в производстве существуют два основных способа разваривания сырья, принципиально различающиеся принятой температурой разваривания и, в связи с этим, принятыми технологическими методами и принципами ведения процессов превращения зернового сырья в сбраживаемые вещества. По первому, традиционному, способу измельченное сырье разваривается при температурах выше 100оС, т.е. под избыточном давлении, а по второму, наиболее перспективному, - в «мягком» режиме разваривания - при температурах до 100оС.

Стремление многих исследователей [1-3] снизить ЭТР, вполне понятно и обосновано, потому что данный прием позволяет повысить выход спирта, улучшить качество вырабатываемого спирта, повысить безопасность эксплуатации варочного оборудования.

Ранее выявленное нами [4,5] свойство некоторых солей полифосфорных кислот (СПФК) снижать термоустойчивость крахмалистого сырья и неоднозначность воздействия этих солей на характер превращения веществ зерна в различных температурных диапазонах хемогидротермического разваривания позволило нам сделать предположение о возможности снижения ЭТР и о повышении эффективности процессов мягкого разваривания сырья методом введения в развариваемые замесы некоторых СПФК (препарат «Дистамил»).

Проведенные нами исследования позволили предположить, что препарат «Диста-мил » (далее - препарат) может быть использован в качестве технологической добавки с целью снижения ЭТР в промышленной технологии непрерывного высокотемпературного крахмалистого сырья.

Эксперименты осуществлялись в промышленных условиях на действующей и модернизированной в соответствии с условиями эксперимента аппаратурно-технологической схеме производства (рис.1). В соответствии с этой схемой пшенично-ржаная сырьевая смесь (в соотношении 15% : 85%) норией 1 по системе взвешивания 2, накопительных бункеров 3 и через дозатор 4 поступает на дробление в молотковую дробилку типа ДДМ 5. Измельченное сырье (качество помола - 75-85%) смешивается в смесителе-предразварнике 6 с теплой водой в соотношении 1:3,2...3,5 и выдерживается при 45-55оС в течение 20 минут. В замес непрерывно подают разжижающий фермент Амилосубтилин Г3х из расчета 0,2 ед.АС/г у.к. и од-

Рис. 1 - Аппаратурно-технологическая схема высокотемпературного хемогид-ротермического разваривания крахмалистого сырья

новременно из сборника 7 постоянно и непрерывно подают раствор СПФК из расчета 0,25 г/л замеса (при конечной концентрации СВ в сусле 15,5-16,0 %). Далее, приготовленный замес плунжерным насосом 8 подают на контактную головку 9 варочной станции, состоящей из варочных колонн первой 11 и второй 12 ступеней, и раз варивают в течение 1,0 часа. Оперативным критерием оценки качества разваривания служила цветность фильтрата затора, которую поддерживали на уровне регламентируемой (принятой в данном производстве) величины. Регулирование этой величины осуществляли варьированием температуры варочной смеси, в контактной головке, изменяя в ручную подачу в нее острого пара через клапанную систему вентилей 10. Далее разваренный затор подавали в выдержива-тель 13, охлаждали, осахаривали смесью ферментных препаратов (Амилосубтилин Г3х (1,8 ед.АС/г у.к.) и Глюкоаваморин Г3х (6,5 ед.ГлС/г у.к.)), охлаждали и сбраживали дрожжами расы 1986 в периодическом режиме в течение 70-80 часов. В последующем, эффективность разваривания оценивали по биохимическим показателям получаемого сусла и зрелой бражки в соответствии с принятыми методами техно-хим. контроля [6].

На рис. 2 представлена термограмма эксплуатации варочной станции и колерграм-ма получаемого затора.

При проведении экспериментов в предиспытательный период среднее значение ЭТР (в течение 2 часов) на контактной головке составляла 141 оС, а среднее значение цветности фильтрата затора - 0,23 ед. экстинкции (Е). Далее в замес вводили препарат и при фиксированном значении ЭТР (141оС) наблюдалось повышение цветности затора с 0,23 ед.Е до 0,43 ед.Е, что свидетельствовало о усилении процессов термодеструкции развариваемых масс и, следовательно, об превышении значений ЭТР. Поэтому далее температуру разваривания постепенно снижали до такого значения, при которой уровень цветности затора соответствовал исходной величине или даже был несколько ниже. В результате чего ЭТР удалось снизить со 141оС до 134оС, т.е. на 7оС при регламентируемой цветности затора и до 120оС, т.е. на 21оС при дальнейшем, но допустимом снижении величины цветности (Е =

0,14 ед.). Необходимость и достаточность полученного нового уровня цветности и, следо-

Рис. 2 - Термограмма

вательно, нового уровня ЭТР (134оС) мы дополнительно подтвердили сравнительным анализом техно-химических показателей процесса брожения, которые не только не уступали показателям, полученным в предиспытательный период, но и даже превосходили некоторые из них (табл. 1).

«Растворяющее» действие препарата начало проявляться уже на стадии приготовления замеса: текстура замеса приобретала более гомогенный вид, а содержание в нем растворенных сухих веществ повышалось по сравнению с базисным режимом разваривания на 85%. Увеличенная растворимость веществ зерна при базисном показателе цветности затора и базисном содержании СВ в сусле, но в условия смягчения режима разваривания дало возможность снизить задачу а-амилазы и глюкоамилазы на стадии осахаривания на 16% и 11% соответственно. При этом, снижение расхода ферментных препаратов не ухудшило реологические характеристики сбраживаемого сусла (йодная проба осахаренно-го сусла и вспениваемость бражки были в норме), а показатели брожения даже несколько улучшились. По сравнению с базисной технологией разваривания величину отброда удалось снизить на 0,1 абс.% , а величину несброженных сахаров на 0,04 г/100 см3, при сравнительно одинаковом уровне количества нерастворенного крахмала в обоих вариантах. Вероятно за счет увеличения растворимости крахмала и снижения его потерь от термоде-струкционных процессов, содержание спирта в зрелой бражке возросло на 0,2 абс.% и выход спирта повысился на 0,17 дал./т у.к.

Как показали эксперименты, использование СПФК в исследуемой концентрации не сделало возможным дальнейшее снижение температуры разваривания, например, до 120оС.

В этом варианте эксперимента выход спирта был несколько снижен до 65,42 дал/т у. к., что не соответствует принятым нормативным показателям для технологических схем вы-сотемпературного разваривания, и, тем более для схем с умягченным режимом разваривания, для которых этот показатель должен быть выше нормативного за счет снижения неизбежных потерь крахмала на процессы термодеструкции. Так как количество несброженных сахаров, нерастворенного крахмала и величины отброда в экспериментальном варианте

Таблица 1 - Технохимические показатели спиртопроизводства в зависимости от температуры разваривания крахмалистого сырья

Показатели Принятая средняя ЭТР,оС

141 (базисный режим) 134 120

Перерабатываемое сырье Ржано-пшеничная смесь

Расход а-амилазы на замес, ед. АС/г у.к. 0,45 0,45 0,45

Расход препарата «Дистамил», г/л замеса 0 0,28 0,28

СВ в фильтрате замеса, % 3-4 6-7 5-7

Текстура замеса Зернисто-пластичная Пластичная Пластичная

Цветность затора Коричневая Коричневая Св./коричневая

Расход а-амилазы на осахаривание, ед.АС/г у.к. 1,55 1,30 1,75

Расход глюкоамилазы на осахаривание, ед.ГлС/г у.к. 6,5 5,8 7,2

Концентрация СВ в сусле, % 15,93 16,04 16,16

Проба на йод на стадии осахаривания Коричневая

Длительность брожения, ч 74 73 86

Содержание спирта в бражке, об. % 7,7 7,9 8,1

Вспениваемость бражки Норма

Отброд в зрелой бражке, %СВ 1,4 1,3 1,8

Нерастворенный крахмал, % 0,015 0,013 0,027

3 Несброженные сахара, г/100 см 0,55 0,51 0,68

Выход спирта, дал/ тонн усл. крах. 65,44 65,61 65,42

Органолептические особенности спирта сорта «Экстра» Без особенностей Более мягкий вкус и запах

эксперимента были увеличены по сравнению с базисной технологией, то наблюдаемое снижение выхода спирта- этого важного показателя производства - связано с потерями крахмала от недоразваривания крахмалистого сырья. Даже увеличенные дозировки разжижающих и осахаривающих ферментов (на 13% и 11% соответственно) на стадии осаха-ривания не смогли полностью нивелировать эффект «недовара» сырья и длительность брожения увеличилась на 13 часов. На наш взгляд, единственным и очень важным положительным эффектом от снижения температуры разваривания до 120оС может служить улучшение органолептических показателей вырабатываемого спирта. Дегустационная комиссия предприятия отметила смягчение вкуса и запаха спирта сортов «Высшая очистка» и «Экстра», что не было не характерным для спиртов, вырабатываемых по технологиям базисного (141оС) и умягченного (134оС) режимов разваривания. Было установлено, что улучшение сенсорных показателей спиртов, различных сортов, коррелирует с изменениями его некоторых физико-химических показателей (табл.2). Умягчение режима разваривания, вероятно, снизило накопление продуктов термического распада веществ зерна в сбраживаемом сусле, что предотвратило их повышенное накопление в спирте. Так проба на окисляемость спирта улучшилась, снизилась массовая концентрация метанола, эфиров и альдегидов.

Таблица 2 - Физико-химические показатели спиртов «Высшая очистка», полученных по технологиям высокотемпературного и умягченного режимов разваривания сырья

Наименование испытаний Спирт этиловый ректификованный сорта «Высшая очистка» / «Экстра»

Норма По технологии разваривания

140-145оС 120-125оС

Объемная доля этилового спирта, %, не 96,2* 96,3 96,3

менее 96,5 96,55 96,5

Проба на чистоту с серной кислотой Выдерживает

Проба на окисляемость, мин, при 20оС, не 15 22 25

менее 20 25 30

Массовая концентрация альдегидов в 4 2,9 2,6

пересчете на уксусный в 1 дм3 безводного спирта, мг, не более 2 1,7 1,5

Массовая концентрация сивушного масла в 4 2,3 19

пересчете на смесь изоамилового и изобутилового спиртов (3:1) в 1 дм3 безводного спирта, мг, не более 3 1,6 1,1

Массовая концентрация эфиров в пересчете 30 54 31

на уксусно-этиловый эфир в 1 дм3 безводного спирта, мг, не более 25 1,8 1,9

Объемная доля метилового спирта в 0,05 <0,05 <<0,05

пересчете на безводный спирт, %, не более 0,03 <0,03 <<0,03

Концентрация свободных кислот (без СО2) 15 9,0 9,1

в безводном спирте, мг/дм3, не более 12 4,4 5,1

Содержание фурфурола Отсутствует Отсутствует

* - в числителе для спирта сорта «Высшая очистка», в знаменателе - для спирта сорта «Экстра».

Эффект относительного снижения содержания сивушных масел в спиртах сортов «Высшая очистка» и «Экстра» может быть, вероятно, объяснено положительными изменениями в метаболизме спиртового брожения дрожжевой клетки культивируемой на сусле в котором снижено содержание продуктов «перевара» сырья.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что одним из действенных факторов регулирования органолептических и физико-химических показателей спирта на уровне подготовки крахмалистого сырья к сбраживанию является температура его гидротепловой обработки. Снижение ЭТР, например, методом дополнительной обработки сырья солями полифосфорных кислот, заметно смягчило вкус и запах вырабатываемого спирта. Так, как улучшения сенсорных характеристик спирта, в равной степени, были отмечены как для спирта сорта «Высшая очистка», так и для спирта сорта «Экстра», можно предположить, что, эти улучшения, в большей степени, зависят от теплового режима разваривания сырья, нежели от, выбранных в эксперименте, режимов ректификации спирта.

Литература

1. Устинников Б.А., Пыхова С.В., Громов С.И. Производство спирта с использованием механикоферментативной обработки сырья // АгроНИИТЭИПП. Сер.24.1989. Вып. 4.

2. ЛихтенбергЛ.А. // Пищевая пр-ть.1997. №3. С.22-24.

3. Зотов В.Н. и др. Опыт эксплуатации нового оборудования спиртового производства.-М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. Сер.24. Вып.7.

4. Сотников В.А., Колдин Э.Н., Гамаюрова В.С. Исследование влияния препарата «Дестамил-Т» на технологические показатели водно-зерновых масс на различных стадиях процесса получения спирта / Деп. в ВИНИТИ №3540-В99, 1999. - 10 с.

5. Сотников В.А., Федоров А.Д., Гамаюрова В.С. и др. // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2002. №1. С.20-22.

6. Инструкция по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства. - М.: Агропромиздат, 1986. - 400 с.

© В. А. Сотников - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной биотехнологии КГТУ; В. С. Гамаюрова - д-р хим. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КГТУ; В. В. Марченко - соискатель той же кафедры.