Оптимизация условий проращивания ячменя с применением Церемикса 6МХG

Оптимизация условий проращивания ячменя с применением Церемикса 6МХG

1Е.Д. Фараджева, А.Е. Чусова, Н.И. Гунькина

Воронежская государственная технологическая академия

Сегодня остро стоит задача обеспечения пивоваренной отрасли России солодом, отвечающим требованиям пивоваров. Один из путей улучшения качества пивоваренного солода, а именно повышения его амилазной активности, — изучение влияния условий соло-доращения ячменя с применением ферментных препаратов. В данной работе использовали Церемикс 6МХG — ферментный препарат, содержащий нейтральную протеиназу, а-амилазу, Р-глю-каназу, пентозаназу и целлюлазу в количестве 0,5 дм3 на 1 т ячменя, который разбавляли водой в соотношении 1:10, а затем вносили в последнюю замочную воду. Процесс солодоращения с применением Церемикса 6МХG контролировали по накоплению а- и Р-амилазной активности ячменя.

Для получения солода с высокой амилолитической активностью необходимо знать взаимодействие основных факторов, влияющих на накопление а-и Р-амилазной активности при проращивании ячменя с применением Цере-микса 6МХG. Это ферментный препарат, содержащий нейтральную протеи-назу, а-амилазу, Р-глюканазу, пентозаназу и целлюлазу в количестве 0,5 дм3 на 1 т ячменя, который разбавляли водой в соотношении 1:10, а затем вносили в последнюю замочную воду. Ранее проведенными исследованиями были установлены следующие основные факторы: Х1 — температура солодоращения, °С; Х2— влажность ячменя, %; Х3 — продолжительность проращивания, сут. Все они совместимы и некор-релированы между собой. Пределы из-

Таблица 1

Пределы изменения

Условия факторов

планирования °с х2, % *з'СУт

Основной уровень 16 42 4

Интервал варьирования 3 2 2

Верхний уровень 19 44 6

Нижний уровень 13 40 2

Верхняя «звездная» 22 45 8

точка

Нижняя «звездная» 10 39 0

точка

менения исследуемых факторов приведены в табл. 1.

Выбор интервалов изменения факторов обусловлен тем, что температура 10...22 °С наиболее характерна для нормальной жизнедеятельности зерна, а при влажности ячменя 39-45 % и прочих равных условиях получается солод лучшего разрыхления и с высокой ферментативной активностью. Продолжительность проращивания ячменя в течение 8 сут определяется возможно максимальным накоплением амилолитических ферментов и под их действием наиболее полным растворением эндосперма с минимальными потерями сухих веществ на дыхание.

Критериями оценки влияния каждого фактора на процесс солодоращения ячменя служили активности: а-амила-зы (У1, ед/г. СВ), Р-амилазы (У2, ед/г СВ). Выбор этих критериев обусловлен тем, что при затирании солода они обеспечивают необходимые биохимические изменения для получения пив-

ного сусла требуемого химического состава.

Программа исследований была заложена в матрицу планирования экспериментов (табл. 2).

Для исследования применяли полный факторный эксперимент 23 с использованием центрального композиционного ротатабельного униформпла-нирования [1]. Порядок опытов рандо-мизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключало влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс проращивания ячменя с применением ферментного препарата Церемикс 6МХG под влиянием исследуемых факторов, ед/г. СВ:

У1= 132,411 + 11,800^ + 2,235^ + + 43,875Х3- 9,475Х1Х2 + (1) + 4,910Х1Х3- 2,025Х2Х3- (1) - 12,411Х12- 4,769Х22- 17,935Х32;

У2= 41,038 + 2,648Х1 + 0,420Х2 + + 11,975Х3- 2,028Х1Х2- (2) - 3,882Х1Х33- 2,977Х2Х3-- 4,209Х12 - 0,409Х22 - 5,383Х32.

Анализ уравнений (1), (2) позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс. На биосинтез амилаз наибольшее влияние оказывает продолжительность проращивания ячменя, причем знак «плюс» перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что

Таблица 2

Опыт Кодированные значения факторов Критерии

*з У,, ед/г СВ У2, ед/г СВ У3, ед/г СВ

1 2 3 4 5 6 7

1 -1 -1 -1 45,79 10,85 9,55

2 -1 +1 -1 57,08 18,10 15,93

3 +1 -1 -1 49,35 24,66 21,70

4 +1 +1 -1 70,45 29,54 26,00

5 -1 -1 +1 94,27 43,01 45,38

6 -1 +1 +1 145,17 44,09 49,62

7 +1 -1 +1 165,18 47,03 46,52

8 +1 +1 +1 130,47 34,26 36,15

9 -1,682 0 0 74,71 23,57 24,30

10 +1,682 0 0 127,04 33,51 34,56

11 0 -1,682 0 119,73 37,71 38,88

12 0 +1,682 0 125,24 40,86 42,13

13 0 0 -1,682 0,00 1,94 2,00

14 0 0 +1,682 170,51 48,50 52,93

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7

15 0 0 0 129,31 40,52 42,10

16 0 0 0 131,04 39,94 41,92

17 0 0 0 135,10 41,59 41,88

18 0 0 0 128,52 41,72 40,92

19 0 0 0 138,22 42,38 39,74

20 0 0 0 131,14 40,31 42,95

ншитсиу 4 •

2005

при увеличении значения параметра значение выходного параметра возрастает, а знак «минус» убывает. Обращают на себя внимание большие значения коэффициентов квадратичных эффектов, что указывает на существенную нелинейность выходных параметров от рассматриваемых факторов. Отношения коэффициентов, стоящих перед линейными членами в уравнениях (1), (2) и показывающих степень влияния факторов относительно друг друга на выходные параметры, оказались следующими:

для Y1:в/в = 3,718; е3/е2= 10,358; е1/е2= 2,786;

Y2: е3/е1= 4,522; в3/в2= 28,512; в1/в2= 6,305.

Для определения оптимальных условий проращивания ячменя с применением Церемикса 6МХG использовали метод «ридж-анализ» [2], который базируется на методе неопределенных множителей Лагранжа [3].

Для этого по уравнению регрессии (1), (2) составляем следующую систему уравнений:

(вп - X)X1 + 0,5в12Х2 + + 0,5в,3Х3 + 0,5в1 = 0;

0,5в21Х1+ Щ +

+ 0,5в23Х3 + 0,5в2 = 0;

0,5взД1+°,5вз2Х2 +

+ (в33- X)X3+0,5в3= 0,

где X — неопределенный множитель Лагранжа.

На величину X накладывается ограничение, которое определяется параметром Хорля [3]:

X = 2(В ( )-в ),

max (min) кк '

в11 - В

0,5в21 0,5в3,

0,5в12

в22 -В

0,5в3,

0,5в13 0,5в,3

= 0.

Для проверки правильности расчетов при каноническом преобразовании сравнивали суммы коэффициентов при квадратичных членах в уравнениях (1), (2) с суммой найденных канонических коэффициентов.

Для уравнения (1) £ВЙ= -35,115; сумма найденных канонических коэффициентов ^В= -35,115, следовательно, расчеты верны.

Аналогично и для уравнения (2) 1,В.. = -10,001; сумма найденных канонических коэффициентов -10,001, следовательно, расчеты верны. Допустимые значения X находятся в пределах:

активность а-амилазы ячменного солода

5,036 > X >-2,251;

активность ß-амилазы ячменного солода

0,942 > X > 0,062.

Задаваясь значениями X из интервалов (8), (9) вычисляем оптимальные условия процесса проращивания ячменя с применением ферментного препарата Церемикс 6МХG. Результаты расчетов оптимальных условий представлены в табл. 3, 4.

Таблица 3

где В , . , — максимальный или мини-

max

мальный (в зависимости от поставленной задачи) канонический коэффициент; вкк — коэффициент регрессии при к-м квадратичном члене. Для нахождения канонических коэффициентов В. составляем по уравнению (5) характеристический полином, который приравняли к нулю:

X X Y„ ед/г СВ

-2,20 0,804 0,299 1,421 163,32

-2,00 0,773 0,261 1,377 163,89

-1,00 0,707 0,214 1,295 164,48

-0,50 0,676 0,198 1,258 175,57

0,00 0,647 0,184 1,223 173,24

0,50 0,620 0,173 1,190 171,08

1,00 0,594 0,164 1,159 164,44

1,50 0,570 0,156 1,129 163,93

2,00 0,548 0,148 1,100 163,90

2,50 0,527 0,142 1,074 163,89

В результате подстановки значений коэффициентов уравнения (1), (2) в определитель (7) и решения уравнений третьей степени были получены канонические коэффициенты для активности а-амилазы: В1= -2,251; В2= -13,946; В3= -18,918; для активности Р-амилазы: В = 0,062; В2= -2,769; В3 = -7,294.

При выборе оптимальных условий необходимо исходить из их максимальных значений внутри выбранных интервалов варьирования независимых переменных. Как видно из табл. 3, для активности а-амилазы ячменного солода такими условиями являются условия при X = -0,50: Х1 = 0,676; Х2 = 0,184; Х3 = 1,258 или, переходя от кодированных значений Х к натуральным, имеем температуру солодораще-ния Х1= 18,0 °С; влажность солода Х2 = 42,4 % и продолжительность процесса Х3 = 6,7 сут. В этом случае активность а-амилазы солода составила Y1 = 175,57 ед/г СВ.

Анализ табл. 3 показал, что при изменении X е [-2,20; 2,50] значения температуры солодоращения лежали в интервале Х= 17,5...18,4 °С; влажность солода

Х2= 42,4-42,9 %; продолжительность проращивания Х3= 6,2-7,3 сут. При таких значениях параметров активность а-амилазы ячменного солода составляла Y1 = 163,32-175,57 ед/г СВ.

Как видно из табл. 4, для активности Р-амилазы ячменного солода такими условиями являются условия при X = 0,1: Х1 = 0,469; Х2 = 0,278; Х3 = 1,096 или, переходя от кодированных значений Х к натуральным, имеем температуру соло-доращения Х1=17,4 °С; влажность солода Х2 = 42,8 % и продолжительность процесса Х3 = 6,3 сут. В этом случае активность Р-амилазы солода составила Y2= 53,376 ед/г СВ.

Из табл. 4 видно, что в интервале изменения X е [0,07; 0,80] параметр оптимизации, а именно активность Р-ами-лазы, изменяется незначительно и лежит в интервале Y2 = 49,721-53,376 ед/г СВ. Следовательно, за оптимальные условия надо принять такие интервалы параметров: температура солодо-ращения Х1 = 16,3...17,5 °С, влажность солода Х2 = 42,2-42,8 %; продолжительность процесса Х3= 5,9-6,3 сут.

Таким образом, решая «компромиссную» задачу, накладывая оптимальные интервалы независимых переменных друг на друга по двум выходным параметрам, окончательно принимаем за оптимальные условия проращива-

Таблица 4

X Y,, ед/г СВ

0,8 0,095 0,101 0,968 49,721

0,7 0,114 0,113 0,984 50,00

0,6 0,139 0,127 1,00 50,318

0,5 0,171 0,143 1,018 50,708

0,4 0,213 0,164 1,035 51,165

0,3 0,271 0,191 1,054 51,741

0,2 0,352 0,227 1,073 52,562

0,1 0,469 0,278 1,092 53,376

0,08 0,499 0,291 1,096 49,588

0,07 0,516 0,299 1,098 47,59

ния ячменя с применением Церемикса 6MXG следующие значения: температура солодоращения 17,5 °С; влажность солода 42,6 %; продолжительность процесса проращивания — 6,3 сут. При таких значениях параметров активность а-амилазы солода с применением Церемикса 6MXG составила 173,5-174,5 ед/г СВ, активность Р-амилазы солода с применением Церемикса 6MXG 82,5-53,5 ед/г СВ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. — М.: Пищевая промышленность, 1990.

2. Draper N.R. «Ridge analusis» of Response Surfaces//Technometrcs. 1993. № 4. P. 3-8.

3. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химико-технологических процессов. — М.: Химия, 1992.

4•2005

ПИВО " "ЛПИТКИ

в33 -