Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы. Часть 1. Получение сусла

ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.5:664.784

Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы

Часть 1. Получение сусла

Н. М. Кузьменкова,

аспирант

Московский государственный университет пищевых производств

Л. Н. Крикунова,

д-р техн. наук, профессор ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности

Анализ состояния пивоваренной, безалкогольной и спиртовой отраслей Российской Федерации показывает, что на современном этапе развития одно из приоритетных направлений — создание высокоэффективных технологий [1-3], основанных на экономии материальных, топливных, энергетических ресурсов на всех стадиях производства конечной продукции. Так, в настоящее время в спиртовой отрасли на стадии разжижения и декстри-низации водно-зерновых замесов предприятия отрасли, работающие по схеме механико-ферментативной обработки, используют различные температурно-временные режимы. Наиболее распространен режим, предусматривающий гидролиз полимеров зернового сырья при выдержке замеса в соответствии со следующими стадиями [4]:

• температура в смесителе г = 45... 50 °С, т = 30 мин;

• температура в аппарате 1-й ступени г = 65.70 °С, т = 90120 мин;

• температура в аппарате 2-й ступени г = 95.98 °С, т = 90120 мин.

На отечественных спиртовых предприятиях традиционно зерно кукурузы чаще перерабатывают по схемам с развариванием; в случае применения механико-ферментативного способа — с удлинением пауз и повышением температур.

В данной работе рассмотрено влияние температурных режимов на получение разваренной массы из исходного зерна кукурузы — контроль 1 (К1); прошедшего гидротермическую

обработку (ГТО) — контроль 2 (К2) и стадию биотехнологической предобработки (БТО) — опыт (О) [5, 6].

В качестве объектов исследований в работе использовали кукурузу с условной крахмалистостью 74,43% на сухое вещество и дифференцированные фракции эндосперма с крахмалистостью 77; 41 и 80,5% для образцов К2 и О соответственно.

Процесс получения сусла оценивали по влиянию вида сырья на концентрацию сусла, а также концентрацию экстракта — продукта, полученного путем смешивания обработанной среды сусла с большим количеством воды и последующей фильтрацией. Этот показатель позволял получить данные по максимально возможному переводу сухих веществ сырья в растворимое состояние.

Установлено, что разделение зерна кукурузы на дифференцированные фракции позволяет увеличить концентрацию сусла с 14,3% до 15,2-16,1% (табл. 1). Кроме того, повышается переход в экстракт сухих веществ, причем в большей степени за счет увеличения растворимости крахмала. Расчет перехода сухих веществ от исходного содержания крахмала в сырье позволяет в определенной мере учесть разницу данного основного компонента в различных образцах сырья.

Данные, представленные в табл. 1, также показывают, что концентрация сусла из кукурузы с использованием метода механико-ферментативной обработки по режиму регламента характеризуется

32 ПИВО и НАПИТКИ 2014

'ТЕХНОЛОГИЯ

Таблица 1

Образец Способ обработки Концентрация сухих веществ, % Переход в экстракт от исходного в сырье, %

кукурузы Сусло Экстракт Сухие вещества Крахмал

Контроль 1 Без обработки 14,3 4,4 63,6 89,6

Контроль 2 ГТО 15,2 4,6 67,8 91,3

Опыт БТО 16,1 5,0 75,0 97,2

Таблица 2

Фактор Интервал варьирования

Временной режим на стадиях водно-тепловой обработки, мин Пауза 1

Степень дробления кукурузы, 100%-ный проход через сито С, мм От С = 1,0 мм до С = 0,56 мм

Норма внесения АС, ед. АС/г условного крахмала сырья От 0,1 до 0,4*

Норма внесения ПС, ед. ПС/г сырья От 0,01 до 0,05

* В случае использования ферментного препарата с термостабил ьной а-амилазой.

18—1

16-

14-

&12"

=1 10-

8-

он К 6-

4-

2-

0-

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Ц Контроль 1 Опыт

Рис. 1. Влияние режимов водно-тепловой обработки на концентрацию сусла

невысокими значениями концентрации сусла при учете исходного содержания крахмала в сырье. Поэтому далее было изучено влияние технологических параметров водно-тепловой и ферментативной обработки на показатели качества осахаренного сусла из кукурузы. Выбранные факторы и интервалы их варьирования представлены в табл. 2.

Значение первых трех факторов регламентируется нормативными документами (при применении кукурузы, перерабатываемой в соответствии с режимами Регламента, норма внесения разжижающего ферментного препарата а-амилазы составляет от 0,5-1,0 ед. АС / г условного крахмала сусла; степень дробления соответствует 94-95% прохода через сито й = 1 мм). В качестве дополнительного фактора в работе изучено влияние нормы внесения ферментного препарата с эндопротеиназной активностью. Выбор данного фактора был обусловлен тем, что используемое зерно кукурузы и его дифференцированные фракции характеризова-

лись низким содержанием белка (на уровне 6,31-7,13%). Кроме того, ранее было отмечено, что в данных белках преобладают труднорастворимые фракции [7]. Все это могло, при недостаточной степени гидролиза белков, привести к дефициту азотного питания для дрожжей и, как следствие, к проблемам на стадии сбраживания.

С целью сокращения энергозатрат на стадии получения разваренной массы в работе были выполнены эксперименты, связанные с возможностью снижения продолжительности пауз при обработке.

Пауза № 1, осуществляемая при г = 45...50 °С, предусматривает как основной результат набухание крахмала. Известно, что крахмал кукурузы среди всех зерновых культур труднее подвергается набуханию из-за плотной белковой матрицы, поэтому логично было продлить первую паузу с 30 мин до 60 мин [8].

Паузы № 2, 3, проводимые при г = 65.70 °С и 95.98 °С, являются основными. В них происходят процессы растворения и декстриниза-ции крахмала сырья. При варьирова-

нии длительности данных пауз были исследованы четыре варианта:

• вариант 1 — паузы водно-тепловой обработки по режиму Регламента;

• варианты 2, 3, 4 — режимы с увеличенными на 30 мин паузами 1 и 2. Данные, приведены на рис. 1,

показывают, что увеличение продолжительности водно-тепловой обработки практически не влияет на концентрацию сусла, полученного из исходного зерна кукурузы. Вместе с тем переработка фракции эндосперма, в отличие от целого зерна кукурузы, зависит от режимов процесса получения сусла. Во всех вариантах увеличение продолжительности пауз приводит к повышению концентрации сусла. Лучший по данному показателю — вариант 3, в котором пауза 2, осуществляемая при г = 65.70 °С, увеличена с 1,5 до 2,0 ч. Концентрация сусла повышается с 16,1 до 17,5%.

В качестве второго варьируемого фактора, изученного в процессе получения сусла из кукурузы и дифференцированной фракции опытного образца в настоящей работе, рассмотрена степень дробления сырья. По типовому Регламенту помол должен соответствовать 94-95%-ному проходу через сито й = 1,0 мм. Вместе с тем известно, что увеличение степени дробления сырья может привести к повышению доступности полимеров зерна водно-тепловой и ферментативной обработке.

Данные, представленные в табл. 3, показывают, что использование по-

Таблица 3

Степень Концентрация сухих веществ, % Переход в экстракт от исходного в сырье, %

измельчения Сусло Экстракт Сухие вещества Крахмал

К1 О К1 О К1 О К1 О

Сито С = 1,0 мм Проход — 100% 14,3 16,1 4,4 5,1 63,6 75,1 89,1 99,1

Сито С = 0,8 мм Проход — 100% 14,1 16,2 4,1 5,2 59,3 76,6 83,4 101,0

Сито С = 0,56 мм Проход — 100% 13,6 16,6 4,2 5,2 60,7 76,6 85,5 101,0

2014 ПИВО и НАПИТКИ 33

ТЕХНОЛОГИЯ'

Таблица 4

Дозировка Термамила SC, ед. АС/г условного Концентрация сухих веществ, % Переход в экстракт от исходного в сырье, %

Сусло Экстракт Сухие вещества Крахмал

крахмала сырья К1 О К1 О К1 О К1 О

0,1 13,6 15,1 4,1 4,7 59,28 69,2 83,5 91,2

0,2 14,3 16,1 4,4 5,0 63,6 75,1 89,1 97,2

0,3 14,6 16,3 4,6 5,0 66,5 76,6 93,6 97,2

0,4 15,1 16,5 4,8 5,1 69,4 76,6 97,7 99,0

мола с большей против контроля степенью измельчения кукурузы, напротив, характеризуется снижением концентрации сусла и возможного перехода сухих веществ сырья в экстракт. Особенно существенно выявленная зависимость проявляется при степени измельчения зерна, близком к помолу муки (100%-ный проход через сито й = 0,56 мм). Вероятнее всего, данный факт связан с существенным изменением диффузионных свойств обрабатываемой смеси. Несмотря на периодическое перемешивание среды в ходе проведения экспериментов, мелкий помол может оседать на дно емкости, тем самым ухудшая доступность крахмала ферментативному воздействию. Негативное влияние на процесс может также оказать повышенный переход определенных фракций белков и части липидов кукурузы в растворимое состояние. Первые могут повысить вязкость сред, а липиды, по данным ряда авторов [9, 10], обладают экранирующим действием.

17-

# 16,5-

ё 163"

<и

X

X

& 15-

СЦ

I 14,5£ 14-

О

13,51312,5-

Норма внесения Нейтразы L 0,8, ед. ПС/г сырья

Ц Контроль Опыт

Рис. 2. Влияние норм внесения протеолитического ферментного препарата на концентрацию сусла

Переработка кукурузы после выделения зародыша характеризуется принципиально другой зависимостью. С увеличением степени дробления концентрация сусла возрастает. Однако повышение степени дробления несущественно увеличивает данный показатель, поэтому с экономической точки зрения целесообразно использовать помол, характеризующийся 100 %-ным проходом через сито й =1,0 мм.

Следующим изучаемым фактором стала норма внесения ферментного препарата разжижающего действия Термамил БС. Дозировка препарата варьировалась в пределах 0,10,4 ед. АС / г условного крахмала сырья. С увеличением дозировки термостабильной а-амилазы закономерно возрастает концентрация сусла как контрольного, так и опытного образцов (табл. 4). Однако для переработки кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической предобработки с выделением зародыша, существенное повышение концентрации наблюдается при увеличении дозировки с 0,1 до 0,2 ед. АС / г условного крахмала сырья. Дальнейшее повышение нормы внесения препарата хоть и сопровождается увеличением концентрации сусла, но незначительным, а поэтому с экономической точки зрения принимаем за оптимальную дозировку 0,2 ед. АС / г условного крахмала сырья.

В качестве ферментного препарата, обладающего эндопротеиназной активностью, использована Нейтра-за L 0,8, оказывающая, как показано ранее [11], эффективное воздействие на снижение вязкости технологических сред из ячменя. Препарат задавали на стадии замеса помола из кукурузы либо из дифференцированной фракции с водой. Данные, представленные на рис. 2, показывают, что применение микробной протеазы при получении контрольного и опытного образцов сусла приводит к повышению концентрации растворимых сухих веществ в нем. При переработке исходного зерна кукурузы концентрация сусла возрастает с 14,3 до 15,0%, в случае использования дифференцированной фракции — с 16,1 до 17,0%. Оптимальная норма внесения препарата — 0,02 ПС/г сырья, так как дальнейшее увеличение практически не повышает концентрацию сусла.

На последнем этапе работы были получены и проанализированы по основным показателям качества два контрольных и четыре опытных образца сусла.

Контроль 1 (К1). Исходное зерно кукурузы влажностью 13,52% и крахмалистостью 61,39% подвергали дроблению на лабораторной измельчительной машине со 100%-ным проходом через сито й = 1,0 мм. Полученный помол смешивали с водой при гидромодуле 1:3,5. Далее вносили ферментный препарат Термамил БС в количестве 0,2 ед. АС / г условного крахмала сырья и проводили водно-тепловую обработку в соответствии с Регламентом. Разваренную массу далее охлаждали до температуры осахаривания. Вносили ферментный препарат Сан-Супер с нормой 7 ед. ГлС / г условного крахмала сырья и проводили осахаривание в течение 30 мин при г = 56...58 °С.

Таблица 5

Показатели сусла К1 К2 О1 О2 О3

Сухие вещества, % 14,3 15,2 16,1 17,0 17,3

Общие редуцирующие вещества, % 10,3 12,1 13,2 14,5 14,9

Редуцирующие сахара, % 5,5 8,0 8,1 7,9 8,2

Аминный азот, % 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01

рН 6,3 6,1 6,1 5,9 6,0

Кислотность, град 0,30 0,23 0,25 0,25 0,25

Доброкачественность, % 72,0 79,6 81,9 85,3 86,1

0

0,01

0,02

0,05

34 ПИВО и НАПИТКИ

2014

Контроль 2 (К2). В качестве сырья использовали дифференцированную фракцию кукурузы, прошедшую стадию гидротермической обработки. Процесс получения сусла вели аналогично варианту контроль 1.

Опыт 1 (О1). В качестве сырья применяли дифференцированную фракцию кукурузы, прошедшую стадию биотехнологической предобработки. Процесс получения сусла соответствовал варианту контроль 1.

Опыт 3 (О2). Процесс получения сусла соответствовал О1, на стадии замеса вносили ферментный препарат Нейтразу дозировкой 0,02 ед. ПС / г сырья.

Опыт 4 (О3). Процесс получения сусла соответствовал О1, обработка замеса на 2-й паузе составляла 120 мин.

Данные, представленные в табл. 5, позволяют сделать следующие выводы:

• использование способов переработки кукурузы, включающих разделение сырья на дифференцированные фракции, приводит к повышеннию концентрации сусла с 14,2% до 16,2-17,3%;

• дополнительное применение микробной протеазы либо увеличение длительности стадии обработки сырья при г = 65.70 °С позволяет получить сусло с максимальной концентрацией (17,017,3%);

• переработка кукурузы, прошедшей стадию биотехнологической

предобработки с последующим выделением зародыша, характеризуется увеличением массовой доли ОРВ и РВ в сусле соответственно с 10,3 до 13,2-14,9% и с 5,5 до 7,9-8,2%. Доброкачественность сусла лучших образцов характеризуется оптимальным значением и достигает 85,3 и 86,1 % против 72,0 и 79,6% в контрольных образцах.

В целом, исходя из показателей, характеризующих образцы сусла, и оценки экономических затрат на их получение, в качестве сырья рекомендовано использовать дифференцированную фракцию кукурузы, прошедшую стадию биотехнологической предобработки, процесс получения сусла вести в соответствии с режимами Регламента с дополнительным внесением ферментного препарата протеолитического действия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Эффективность развития предприятий пивоваренной отрасли / Л. А. Оганесянц [и др.] // Пиво и напитки. — 2012. — № 3. — С. 4-8.

2. Оганесянц, Л. А. Высокоэффективная технология безалкогольных квасов /Л. А. Оганесянц, К. В. Кобелев, А. В. Бойков // Пищевая промышленность. — 2013. — № 9. — С. 28-29.

3. Перспективные биотехнологические процессы для спиртовой промышленности/В. А. Поляков [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2002. — № 1. — С. 6-8.

ТЕХНОЛОГИЯ

4. Нормы технологического проектирования предприятий спиртовой промышленности. ВНТП 34-93. — М.: Гидропищепром-2, 1993.

5. Крикунова, Л. Н. Биотехнологический способ предобработки зерна кукурузы/Л. Н. Крикунова, Н. М. Кузьменкова // Хранение и переработка сельхозсы-рья. — 2013. — № 5. — С. 29-31.

6. Крикунова, Л. Н. Оптимизация технологических параметров биотехнологического способа предобработки кукурузы/Л. Н. Крикунова, Н. М. Кузьменкова // Хранение и переработка сель-хозсырья. — 2013. — № 12. — С. 7-11.

7. Кузьменкова, Н. М. Влияние метода предобработки кукурузы на состав белков дифференцированных фрак-ций/Н. М. Кузьменкова, Л. Н. Крику-нова // Хранение и переработка сель-хозсырья. — 2014. — № 1. — С. 5-7.

8. Андреев, Н. Р. Структура, химический состав и технологические признаки основных видов крахмалсодержащего сырья / Н. Р. Андреев, В. Г. Карпов // Хранение и переработка сельхозсы-рья. — 1999. — № 7. — С. 30-33.

9. Козьмина, Н. П. Биохимия зерна и продуктов его переработки/Н. П. Козьми-на. — М.: Колос, 1976. — 375 с.

10. Нечаев, А. П. Липиды зерна/А. П. Нечаев, Ж. Я. Сандлер. — М.: Колос, 1975.

11. Крикунова, Л. Н. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть I. Подбор мультиэнзимной композиции / Л. Н. Крикунова, Л. И. Сумина // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2009. — № 2. — С. 51-54.

Разработка комплексной технологии этанола из кукурузы.

Часть 1. Получение сусла

Ключевые слова

дифференцированные фракции; кукуруза; сусло; технология этанола.

Реферат

В данной работе было рассмотрено влияние температурных режимов на получение разваренной массы из трех образцов сырья: исходного зерна кукурузы; прошедшего гидротермическую обработку (ГТО) и стадию биотехнологической предобработки.

Авторы

Кузьменкова Наталья Михайловна, аспирант

Московский государственный университет пищевых производств,

125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, nkuzmenkova@bk.ru,

Крикунова Людмила Николаевна, д-р техн. наук, доцент

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности,

119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, institute@vniinapitkov.ru

The Development of Complex Technology of Ethanol from Corn. Part 1. Obtaining Wort

Key words

differentiated fractions; corn; wort; ethanol technology.

Abstract

In this paper we analyzed the impact of temperature modes for a tenderized mass of 3 samples of raw materials: raw corn, past the hydrothermal treatment (GTP) and the preprocessing stage biotechnology.

Authors

Kuzmenkova Natalia Mihailovna, Post-graduate Student

Moscow State University of Food Production,

11 Volokolamskoe shosse, Moscow, 125080, Russia, nkuzmenkova@bk.ru,

Krikunova LudmilaNikolaevna, Doctor of Technical Science, Associate Professor

All-Russian Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industries,

7 Rossolimo St., Moscow, 119021, Russia, institute@vniinapitkov.ru

2014 ПИВО и НАПИТКИ 35