Утилизация органических отходов бродильных производств

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №1 УДК 663.482:663.26:504

П. Е. Баланов, И. В. Смотраева, О. Б. Иванченко, Р. Э. Хабибуллин

УТИЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Ключевые слова: бродильные производства, пивная дробина, барда, дрожжи, виноградные выжимки.

В статье показаны пути образования органических отходов предприятий бродильных производств: пивной дробины, барды, виноградных и яблочных выжимок и рассматриваются предполагаемые способы их утилизации. Исследован процесс ферментативного гидролиза пивной дробины ферментными препаратами Ней-траза 0,8 L (Дания, "Novozymes") и Целлолюкс-F (Россия ООО ПО "Сиббиофарм") для повышения содержания аминного азота в гидролизате. Описаны примеры эффективного использования виноградных и яблочных выжимок, дрожжей и дробины как вторичного сырья для пищевой промышленности.

Keywords: fermentation production, brewer's grains, bard, yeast, grape pomace.

The article shows the ways of organic wastes formation of the enterprises offermentation industry: brewer's grains, distillers grain, grape and apple pomace and possible ways of their utilization are discussed. The process of enzymatic hydrolysis of brewer's grains enzyme preparations of Neutrase 0,8 L (Denmark, "Novozymes") and Cellolux-F (Russia, "Sibbiopharm Ltd") to increase the content of amine nitrogen in the hydrolysate are investigate. Examples of the effective use of grape and apple pomace, yeast and grains as secondary raw materials for the food industry are described.

Введение

Сегодня предприятия пищевой и перерабатывающей промышленности остаются источником значительных количеств отходов органического происхождения [1,2,3]. Согласно концепции энерго- и ресурсосбережения необходимо рассматривать эти отходы в качестве вторичных материальных ресурсов (BMP). Объемы использования этих отходов в нашей стране до недавнего времени были невелики. Вместе с тем, в них содержится до 25 % питательных веществ из состава исходного сырья, а также макро- и микронутри-ентов в заметных количествах. Тем не менее, из-за низкой стойкости при хранении и трудностей, связанных с транспортировкой, эти отходы пока не находят широкого применения. В связи с этим проблема переработки органических отходов предприятий пищевой, перерабатывающей, пивоваренной, спиртовой и винодельческой отраслей по-прежнему остается актуальной, тем более что наряду с задачей предотвращения загрязнения окружающей среды позволяет обеспечить кормовую базу сельскохозяйственного комплекса.

Пивная дробина является одним из основных отходов пивоваренной отрасли. Главной проблемой при ее переработке и хранении является высокая влажность 70-85%, которая варьирует в зависимости от применяемого оборудования.

Пивная дробина может служить хорошим субстратом в микробиологической промышленности для культивирования бактерий и плесневых грибов с целью получения различных ферментных препаратов и лимонной кислоты. Для улучшения качества питательного субстрата рекомендовано использовать вторичные материальные ресурсы солодовенного производства - солодовые ростки.

По содержанию таких некрахмалистых полисахаридов, как целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, пивная дробина значительно превосходит пшеничные отруби, что дает хорошие предпосылки для ее использования при производстве хлебобулочных изде-

лий для лечебно- профилактического и диетического питания [4] в качестве источника пищевых волокон.

Содержащиеся в пивной дробине пентозаны и ге-мицеллюлоза, в частности ксиланы и арабоксиланы, могут служить источником для получения пищевой добавки Е976 - ксилита, широко применяемой в пищевой промышленности в качестве подсластителя, влагоудерживающего агента, эмульгатора и стабилизатора [5].

В основном дробина реализуется на корм скоту. Для повышения ее усвояемости, улучшения перева-риваемости питательных веществ и их всасывания в кишечнике в рационе животных используют целлю-лолитические ферментные препараты, действие которых направлено на расщепление некрахмалистых полисахаридов и клеточных стенок растительных кормов.

Проведен широкий круг исследований, направленных на исследование перспектив использования пивной дробины в технологии продуктов питания человека [6, 7]. Она была рекомендована и испытана в качестве добавки при производстве мясных продуктов и полуфабрикатов [8, 9]. Предложенные технологии направлены на ускорение и упрощение технологического цикла получения мясных рубленых полуфабрикатов, на расширение их ассортимента, улучшение органолептических, физико-химических показателей готовой продукции, сокращение потерь массы при тепловой обработке, обогащение мясных рубленых полуфабрикатов пищевыми волокнами, белком, витаминами и минеральными элементами.

Был исследован процесс ферментативного гидролиза пивной дробины ферментными препаратами Нейтраза 0,8 Ь (Дания, "Ыоуо2уте^') и Целлолюкс-Б (Россия ООО ПО "Сиббиофарм") для повышения содержания аминного азота в гидролизате. Содержание а-аминного азота определяли методом йодомет-рического титрования, а степень гидролиза по массе негидролизованной твердой фазы пивной дробины [10].

Основная активность препарата Нейтраза 0,8Ь обусловлена действием эндопептидаз, которые гид-

ролизуют пептидные связи белков, образуя пептиды и аминокислоты.

Ферментный препарат Целлолюкс-Б содержит комплексы целлюлаз (2000± 200 ед. ЦлАП/г), ксила-наз (до 8000 ед. КсАП/г), глюканаз (до 1500 ед. 5-ГлАП/г) и поэтому катализирует расщепление целлюлозы, ксиланов, 5-глюканов растительной клетки до легко доступных углеводов [11].

Экспериментально показано, что использование протеолитического ферментного препарата Нейтраза 0,8 Ь в концентрации 1,0 % увеличивает содержание сухих веществ в гидролизате пивной дробины в 4 раза, содержание а-аминного азота в 10 раз и приводит к снижению негидролизованной твердой фазы пивной дробины на 28,5 %.

Исследован гидролиз пивной дробины под действием целлюлолитического ферментного препарата Целлолюкс-Б. Установлено, что использование ферментного препарата в концентрации 0,1 % увеличивает содержание сухих веществ в гидролизате пивной дробины в 3 раза, содержание а-аминного азота в 2,2 раза и приводит к снижению негидролизованной твердой фазы пивной дробины на 16,9 %.

Установлено, что использование комплекса ферментных препаратов увеличивает содержание а-аминного азота в гидролизате пивной дробины в 20 раз по сравнению с образцом без добавления ферментных препаратов. Как показывают результаты исследований, вполне закономерно, что основной вклад в повышение уровня свободного аминного азота вносит ферментный препарат Нейтраза 0,8 Ь, но внесение ферментного препарата Целлолюкс-Б значительно увеличивает содержание свободного аминного азота с 12,1 мг/100 мл до 20,1 мг/100 мл [10]. Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что комплекс ферментных препаратов целлю-лолитического и протеолитического действия может быть использован для гидролиза белков пивной дробины с целью получения гидролизатов, в которых будет высокое содержание а-аминного азота. Можно предположить, что сочетание различных по происхождению целлюлолитических и протеолитических ферментных препаратов или создание мультиэнзим-ных композиций из них позволит получить ферментативные гидролизаты, которые могут быть использованы для повышения пищевой ценности продуктов питания.

Одним из существенных отходов спиртового производства является барда.

По закону РФ «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции» барду запрещается сбрасывать в окружающую среду или канализационную систему без предварительной переработки [12].

В настоящее время применяется несколько схем переработки барды [13].

1. Получение кормовых дрожжей основанное на использовании зерновой или картофельной барды в качестве питательной среды для культивирования дрожжей с дальнейшей переработкой полученного продукта на ценный высокобелковый корм - дрожжевой кормовой концентрат (ДКК).

2. Широко распространена в промышленности технология переработки барды с помощью выпарных станций с последующей сушкой (DDGS - Dried Distillers Grains with Solubles).

3. Биогазовые технологии с получением биометана применяются в основном для переработки меласс-ной барды. В основе их лежат метаболические процессы, осуществляемые сложным микробным сообществом с участием метаногенных бактерий, протекающие в анаэробных биореакторах в определенных условиях гидравлической и органической нагрузки при низких значениях окислительно -восстановительного потенциала и в диапазоне рН от 7,0 до 8,2.

Среди органических отходов при переработке растительного сырья отдельное место занимают плодовые выжимки. В каком-то смысле их можно рассматривать не как отход, а как полуфабрикат для других нужд народного хозяйства. В случае винодельческого производства это выжимки из винограда и плодово-ягодного сырья (яблоки, сливы, ягоды и т.д.). Подобные отходы это очень перспективная база для вторичного использования и тем самым сбережения материальных ресурсов предприятия.

Виноградные выжимки это та фракция, которая остается после извлечения сусла-самотёка и отпрессованного сусла. Это комплекс из кожицы, семян, гребней и остатков жидкой фракции. Влажность её может быть различной, в зависимости от интенсивности и тщательности прессования. Выжимки могут быть перебродившими, если они получаются после ферментации мезги или не перебродившими, получающимися непосредственно после прессования. Как правило, перебродившие выжимки получают из тёмных сортов винограда, а не перебродившие из белых. Приблизительный химический состав виноградных выжимок приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Усреднённый состав виноградных выжимок [14]

Наименование ком- Содержание, % от общей

понента массы

Не перебродившие выжимки

Кожица 50

Гребни 25

Семена 25

Перебродившие выжимки

Кожица 25

Гребни 13

Семена 12

Вино 50

Виноградные выжимки можно использовать для следующих нужд:

1. Сбраживание выжимок с получением некоторого количества этанола, который затем дистиллируется и используется для приготовления алкогольных напитков. К известным представителям подобной продукции относятся чача и граппа.

2. В качестве углеводной и белковой основы для производства комбикормов

3. Получение экстрактов для пищевой и фармацевтической промышленности

4. Получение пищевых порошков для обогащения пищевых продуктов ценными нутриентами (целлюлоза, пектин и т.д.) [15]

5. Получение энотаннина, который в последствии может использоваться для осветления виноматериа-лов.

Семена, содержащиеся в выжимках, являются также сырьём для получения масла, которое используется в технических и пищевых целях.

Из виноградных выжимок можно получать ценную пищевую добавку - энокраситель, которая обладает широкой палитрой цветопередачи, от розового до тёмно-фиолетового. Энокраситель используют в хлебопекарной, кондитерской промышленности и для производства безалкогольных напитков.

Кроме виноградных выжимок отходом винодельческого производства является винная кислота и её соли, которые могут выделяться очищаться и использоваться в различных отраслях, чаще всего в качестве нативного подкислителя. К этим соединениям относят:

1. Кислый винный калий (битартрат) КН5С406 .

2. Кальций виннокислый СаН4С406

3. Средний виннокислый калий К2Н4С406 .

4. Винный камень. Смесь различных солей винной кислоты, (в том числе магниевой) отлагающийся на стенках бродильных резервуаров.

Очень перспективным и интересным нетрадиционным сырьём являются выжимки, полученные из яблок, после отделения сусла при получении плодово-ягодного вина. Такие выжимки очень богаты пектиновыми веществами, которые можно и нужно выделять и очищать [16]. Благодаря способности образовывать студни пектин широко применяется при производстве желейных изделий: мармелада, желейных начинок для конфет. Для этой цели лучше всего подходит яблочный пектин, благодаря своей высокой желирующей способности [17]. Вопрос переработки выжимок особенно актуален в современной действительности, когда крупных промышленных предприятий по получению пектина в России нет и его приходится импортировать.

Получение пектина может осуществляться по различным технологическим схемам. Общие принципы этих схем можно представить следующим образом:

1. Получение и хранение яблочных выжимок. Иногда для увеличения сохранности их подвергают сушке. При этом, также происходит частичное разрушение слизеобразующих соединений.

2. Экстракция пектина из выжимок в водной среде, часто искусственно подкисленной

3. Разделение пектинового экстракта и выжимок

4. Концентрирование пектинового экстракта. Для этого целесообразно использовать вакуум-выпарные установки, которые позволяют осуществлять сгущение среды в бережном режиме.

5. Осаждение пектиновых веществ реагентным путем, например с использованием этилового спирта

6. Разделение осажденного пектина и жидкой фракции. Как правило, эту операцию осуществляют несколько раз.

7. Сушка в несколько этапов, фасовка и хранение пектина.

Рекуперируемым отходом бродильных производств также является углекислый газ который можно улавливать, очищать, сжижать и использовать для внутренних нужд предприятия и, кроме того, вносить свой вклад в защиту окружающей среды и снижение выбросов парниковых газов [18].

В бродильных производствах, для ведения технологического процесса всегда используются микроорганизмы, которые в результате биосинтеза накапливаются в значительных количествах и являются отходом, если не используются повторно.

На предприятиях пивоваренной отрасли прирост дрожжей особенно велик и грамотная утилизация микробной биомассы является насущной задачей. Благодаря своему составу дрожжевые клетки представляют интерес как источник аминокислот, витаминов группы В и биологически активных веществ. Одним из актуальных направлений использования остаточных пивных дрожжей является получение дрожжевых экстрактов и пищевого белка. Отработанные дрожжи подвергают автолизу, обрабатывают для удаления горечи, концентрируют и высушивают. Полученные дрожжевые экстракты находят довольно широкое применение в пищевой промышленности для изготовления продуктов быстрого приготовления, различных соусов и приправ.

Сушеные пивные дрожжи и дрожжевые экстракты в настоящее время активно используются в фармакологии для производства комплексных витаминных препаратов и биологически активных добавок.

Литература

1. Иванченко О.Б., Хабибуллин Р.Э. Токсические свойства сточных вод мясоперерабатывающего предприятия // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология . 2006. № 4. С. 114-116.

2. Кунце В. Технология солода и пива.- СПб.: Профессия.-2009.-1136с

3. Иванченко О.Б., Хабибуллин Р.Э.. Пути образования и токсические свойства сточных вод пивоваренных предприятий // Вестник Казанского технологического университета - 2015. - Т. 18, № 2. - С. 433-436.

4. Смотраева, И.В. Использование вторичных материальных ресурсов пивоварения в хлебопекарной промышленности: автореф. дисс. ...к.т.н. / Смотраева, Ирина Владимировна. - Санк.-Петербург, 2003. - 16с.

5. Кедельбаев Б.Ш., Есимова А.М., Тасыбаева Ш.Б., На-рымбаева З.К. Пивная дробина - перспективное сырье для получения ксилита. // Современные тенденции развития науки и технологии. 2015, №6. - С. 67-70.

6. Пат. 2275131 Российская Федерация: МПК A23L1/317, A23L1/314, A23L1/31, A23L1/30, A23L1/29. Способ приготовления мясных рубленых полуфабрикатов [Текст] / Азин Д.Л., Менухов Н.В.; заявл. 17.11.2004, опубл. 27.04.2006.

7. Азин, Д.Л. Формирование качества продовольственных товаров, обогащенных местным растительным сырьем: дисс. ... докт. техн. наук: 05.18.15. // Азин Дмитрий Леонидович. -Екатеринбург, 2006. - 334 с.

8. Использование вторичного растительного сырья в технологии мясных продуктов / Пономарев В.Я., Юнусов Э.Ш., Ежкова Г.О. Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 18. С. 156-158.

9. Практические аспекты использования нативной пивной дробины при производстве мясопродуктов / Пономарев

В.Я., Юнусов Э.Ш., Ежкова Г.О., Тюрина Т.А. Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 18. С. 177-179.

10. Волкова А., Иванченко, Баланов П.Е.Влияние ферментных препаратов на увеличение аминного азота в ферментативном гидролизате пивной дробины // Пиво и напитки, 2010, N6.C.13-15.

11. Целлолюкс-F [Эл.ресурс: http://www.sibbio.ru/products/ ferment / clf.]

12. Федеральный закон от 22.11.1995 N 171-ФЗ (ред. от 29.06.2015) "О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции и об ограничении потребления (распития) алкогольной продукции"

13. Андросов А.Л., Елизаров И.А., Третьяков А.А. Применение технологии переработки барды // Вестник ТГТУ. 2010, Т.16, №4. - С.954-963

14. Глазунов А.И., Царану И.Н. Технология вин и коньяков - Москва: Агропромиздат, 1988 -342 с.

15. Сидоренко А.В. Совершенствование технологии получения пищевых порошков из виноградной выжимки и их использование в хлебопечении. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук - Краснодар.: КубГТУ, 2012., 25 с.

16. Shalini R., Gupta D.K. Utilization of pomace from apple processing industries: a review. // J Food Sci Technol. - 2010. -Aug;47(4).- Р.365-371.

17. Zhang L., Te X., Ding T., Sun X., Xu Y., Liu D. Ultrasound effects on the degradation kinetics, structure and the rheologi-cal properties of apple pectin // Ultrason Sonochem. 2013.-Jan;20(1).-P.222-231.

18. Баланов П.Е., Смотраева И.В., Иванченко О.Б., Хаби-буллин Р.Э. Снижение выбросов углекислого газа в атмосферу биотехнологическими предприятиями // Вестник технологического университета - 2015. - Т. 18, № 13. - С. 205-208

© П. Е. Баланов - к.т.н., доцент кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья Университет ИТМО, balanov@yandex.ru; И. В. Смотраева - к.т.н., доцент кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья Университет ИТМО, irinasmotraeva@yandex.ru; О. Б. Иванченко - к.б.н., доцент кафедры химии и биотехнологии Санкт-Петербургского государственного торгово-экономического университета, obivanchenko@yandexl.ru; Р. Э. Хабибуллин - к.т.н., доцент кафедры Технологии мясных и молочных продуктов КНИТУ, hrustik@yandex.ru.

© P. Balanov - candidate of technical sciences, associate professor of the ITMO University, balanov@yandex.ru; I. Smotraeva - candidate of technical sciences associate professor of the ITMO University, irinasmotraeva@yandex.ru; O. Ivanchenko - candidate of biological sciences, associate professor of the Department of chemistry and biotechnology of Federal state educational University of higher professional education «Saint Petersburg State University of Trade and Economics», obivanchenko@yandexl.ru; R. Khabibullin -candidate of technical sciences, associate professor of the Department of meat and milk products technology of Kazan National research technological university (KNRTU), hrustik@yandex.ru.