Системный подход к интенсификации процессов биоконверсии нативных крахмалов и крахмалосодержащего сырья. Сообщение III. Проведение ферментативной биоконверсии зернового крахмалосодержащего сырья в условиях гидродинамических воздействий

В.В. Аксёнов

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ БИОКОНВЕРСИИ НАТИВНЫХ КРАХМАЛОВ

И КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ Сообщение III. ПРОВЕДЕНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ БИОКОНВЕРСИИ ЗЕРНОВОГО

КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ В УСЛОВИЯХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

В статье приводится обоснование технологических режимов ферментативного гидролиза крахмалосодержащего сырья в условиях гидродинамических воздействий. Дается интерпретация механизма кавитационных воздействий на процессы дезагломерации - дезинтеграции белково-крахмальных агломератов. Особое внимание уделено оптимизации режимов ферментативного гидролиза в условиях гидродинамических воздействий.

Ключевые слова: крахмалсодержащая среда, сырье, режим, ферментация, гидродлиз, гидродинамические воздействия.

V.V. Aksyenov

THE SYSTEMATIC APPROACH TO THE INTENSIFICATION BIOCONVERSION PROCESSES OF NATIVE STARCH-CONTAINING RAW MATERIALS CONDUCTING FERMENT BIOCONVERSION OF CEREAL STARCH CONTAINING RAW MATERIALS IN THE CONDITIONS OF HYDRODYNAMIC EFFECT

The bases of the technological rates of enzymatic hydrolysis of starch-containing raw materials in the conditions of hydrodynamic effects are given in the article. The interpretation of the cavitation attacks mechanism to the process of disagglomeration and decomposition of protein-starch agglomerates is presented. The optimization of enzymatic hydrolysis rates the in the conditions of hydrodynamic effects is given special attention.

Key words: starch-containing, enzymatation, hydrolysis, raw materials, hydrodynamic effect.

Гидроакустические воздействия широко используются в различных отраслях промышленности: фармацевтической [1], пищевой [2-8], лакокрасочной [9,10], целлюлозно-бумажной [11,12] и других отраслях [13-15]. Однако в литературе главным образом уделяется внимание конструкционным особенностям гидроакустических аппаратов и технологическим аспектам использования этих устройств в различных сферах практического применения. Широкое использование аппаратов кавитационного действия в промышленности в последнее время повысило интерес к теоретическим аспектам гидроакустических воздействий в различных технологических процессах [2,6,14-19].

Для объяснения механизмов интенсификации технологических процессов, протекающих с использованием кавитационных воздействий, предлагаются несколько подходов, иногда исключающих друг друга. Вероятно, это связано с тем, что теоретическое изучение этих процессов идет на стыке нескольких наук и относится к новым отраслям знаний. Следует также отметить, что интенсификация технологических процессов в условиях гидроакустических воздействий осуществляется путем комплексного воздействия на материалы ряда факторов: давление потока жидкости, механические колебания в широком диапазоне частот, кавитационные явления и связанные с ними ударные волны и кавитационные струйки, температурный эффект, высокие сдвиговые напряжения и т.д. Нельзя исключать и химическую составляющую кавитационных процессов, когда генерируются высокоактивные радикальные частицы, а также идут процессы деструкции, сшивания, реакции окисления.

При подборе кавитационной аппаратуры и режимов воздействия на технологические процессы, связанные с получением пищевых и кормовых продуктов, превалирует эмпирический подход, а имеющиеся рекомендации носят рецептурный характер. Положение осложняется также большим разнообразием биохимических реакций, их ступенчатостью и сложностью. На эти взаимодействия налагаются гидродинамические, тепловые, диффузионные и другие процессы. Все эти факторы существенно осложняют правильность выбора технологических режимов при переработке растительного и животного сырья, возможность их оптимизации и повышения экономической эффективности. Однако примеры эффективной интенсификации раз-

личных процессов в условиях гидродинамических воздействий, в том числе и биохимических, позволяют надеяться на успешное применение и накопить новый статистический материал.

Биоконверсия крахмалов и крахмалосодержащего сырья на сахаристые крахмалопродукты связана с различными структурно-механическими и биохимическими процессами. При этом в ходе переработки сырья используются различные машины и аппараты, применяемые для грубого и тонкого помола сырья, смесители, гомогенизаторы, декантеры, сепараторы, ферментеры различных типов и др. По нашему предположению, процессы, происходящие в гидроакустическом диспергаторе, генерирующем кавитационные явления, могут заменить некоторые методы обработки и упростить набор технологических процедур, используемых в современных технологиях, что может привести к снижению времени биоконверсии крахмалосодержащего сырья и уменьшению металлоемкости технологического оборудования, а в отдельных случаях и к исключению некоторых технологических операций.

Биоконверсия крахмалосодержащего зернового сырья на сахаристые продукты отличается от переработки нативных крахмалов. Это определятся более сложным строением зерна злаковых. В технологическом аспекте для полного прохождения ферментативного гидролиза нативного крахмала требуется предварительная эрозия крахмальных зерен, которая в классическом варианте идет в ферментерах под действием воды и температуры. Кавитационные процессы, реализуемые в роторно-пульсационных аппаратах, вероятно, могут интенсифицировать процессы эрозии крахмальных гранул за счет эффектов диспергирования: разрушения монолитных полукристаллических частиц, каковыми являются крахмальные гранулы.

Для прохождения биоконверсии цельного зерна вначале должна реализоваться стадия дезагломерации - дезинтеграции составных компонентов зернового агломерата. В нашем случае агломерат - это цельное зерно, основными составляющими частями которого являются целлюлоза, жиры, белки и крахмал. Известно, что крахмальные гранулы формируются на белковой матрице и образуют очень прочно связанные агломераты, разрушение которых является одной из сложных задач при получении нативных крахмалов. Для разрушения белково-крахмальных агломератов, на наш взгляд, наиболее эффективным устройством является роторно-пульсационные аппараты, в которых реализуется два типа дезинтеграции: механическая и кавитационная, что приводит к эффективной дезагломерации частиц.

В литературе предлагается несколько механизмов кавитационной дезинтеграции: расклинивающим давлением жидкости (эффект Паултера), химическим разрушением материалов высокоактивными радикальными частицами, образующимися в результате сонолиза воды (эффект Тейлора), диспергированием под воздействием явлений механической усталости, генерированием двойного электрического слоя (трибоэлектричество) и другим эффектами. На наш взгляд, при диспергировании крахмалосодержащих материалов основной вклад вносит дробление под действием кумулятивных струй, образующихся в ходе схлопыва-ния кавитационных пузырьков (рис. 1).

V

(И>

Зерновой агломерат

Рис. 1. Принципиальная схема диспергирования (эрозии) зерновых агломератов в ходе кавитационного

удара: R - радиус кривизны кумулятивной струи; d - диаметр кумулятивной струи; V - скорость кумулятивной струи

Превалирование механизма дезинтеграции крахмалосодержащих материалов под действием струек в первую очередь обусловлено соотношением размеров кавитационных пузырьков и частиц дисперсной фазы [16]. При размере кавитационных пузырьков больше размеров частиц диспергируемого материла расклинивающий эффект кумулятивных струек незначителен. Если же размер частиц превышает размер пузырьков, их сферическая форма нарушается и образующиеся в процессе схлопывания пузырьков кумулятивные микроструйки обладают высокой скоростью и повышенной расклинивающей способностью.

Проведение ферментативной биоконверсии пшеничного и ржаного сырья было осуществлено на ро-торно-пульсационном аппарате РПА-4№ Соотношение воды к сухому веществу составляло 2:1. Гидролиз сырья идет в присутствии мультиэнзимных композиций при температуре 60-65оС и рН=4,5-5,5 [20]. В результате управляемой гидродинамической обработки идет направленный гидролиз крахмалов с получением глю-козо-мальтозных растворов - углеводных кормовых добавок. Результаты исследований приведены в таблице и на рисунке 2.

Время, ч

пшеница/цельное зерно пшеница/дробленое зерно рожь/цельное зерно рожь/дробленое зерно

Рис. 2. Динамика ферментативной биоконверсии зернового крахмалосодержащего сырья в РПА

Динамика ферментативной биоконверсии зернового крахмалосодержащего сырья в РПА

№ п/п Сырье/степень измельчения Время обработки, ч Содержание углеводов, % Биоконверсия крахмала, %

1 2 3 4 5

1 Пшеница/цельное зерно* 1 6,2 24,32

2 -«-«-«-«- 2 12,1 47,46

3 -«-«-«-«- 3 17,6 69,04

4 -«-«-«-«- 5 22,1 86,69

5 -«-«-«-«- 7 23,6 92,57

6 -«-«-«-«- 10 23,2 91,00

7 -«-«-«-«- 12 22,8 89,44

8 -«-«-«-«- 15 21,6 84,73

9 Пшеница/дробленое зерно** 1 8,9 34,91

Окончание табл.

1 2 3 4 5

10 -«-«-«-«- 2 14,2 55,70

11 -«-«-«-«- 3 19,8 77,67

12 -«-«-«-«- 5 24,2 94,93

13 -«-«-«-«- 7 24,0 94,14

14 -«-«-«-«- 10 23,4 91,79

15 -«-«-«-«- 12 23,0 90,22

16 -«-«-«-«- 15 22,4 87,87

17 Рожь/цельное зерно* 1 5,6 23,83

18 -«-«-«-«- 2 10,7 45,54

19 -«-«-«-«- 3 16,5 70,22

20 -«-«-«-«- 5 21,0 89,38

21 -«-«-«-«- 7 21,9 93,21

22 -«-«-«-«- 10 21,4 91,08

23 -«-«-«-«- 12 19,8 84,27

24 -«-«-«-«- 15 19,2 81,70

25 Рожь/дробленое зерно** 1 10,8 45,96

26 -«-«-«-«- 2 15,2 64,69

27 -«-«-«-«- 3 19,8 84,27

28 -«-«-«-«- 5 22,4 95,33

29 -«-«-«-«- 7 22,2 94,48

30 -«-«-«-«- 10 21,6 91,93

31 -«-«-«-«- 12 21,4 91,08

32 -«-«-«-«- 15 21,1 89,80

*Цельное зерно перед обработкой замачивалось в воде на 10-12 часов при Т=18-22оС, рН=2-3. ** Дробленое зерно получено на промышленной дробилке ДКД-2 с использованием сита №6.

Общий выход углеводов зависит главным образом от времени биоконверсии крахмалосодержащего сырья, подготовки и степени измельчения сырья (см. табл., рис. 2). Наибольший процент биоконверсии крахмала наблюдается при использовании дробленого зерна через 5 часов, причем это не зависит от вида сырья - пшеницы или ржи (табл., №12,28). При ферментативном гидролизе крахмалов, содержащихся в цельном зерне, наибольший процент биоконверсии имел место через 7 ч для пшеницы (табл., №5) и 10 ч для ржи (табл., №22).

Данные углеводные кормовые добавки являются натуральными компонентами для восполнения дефицита сахаров в рационах КРС. Технология получения кормовых добавок запатентована [20] и внедрена в ряде хозяйств Сибирского федерального округа [21]. Следует отметить, что при получении углеводных кормовых добавок направленно биодеградируется только зерновой крахмал. Все остальные биологически активные компоненты зерна остаются в нативном состоянии. Ферментативной биоконверсии в условиях гидроакустических воздействий могут быть подвергнуты любые зерновые крахмалоносы, а также любые крахмалосодержащие отходы.

Данные углеводные кормовые добавки экономически целесообразно применять в рационах КРС при суммарном содержании углеводов в смеси от 15%. В связи с этим для получения товарных кормовых добавок достаточное время обработки сырья составляет 3 часа (табл., №3,11,19,27).

Таким образом, предлагаемый способ получения углеводных кормовых добавок позволяет в условиях отдельных хозяйств получать сахаросодержащие добавки из местного сырья и балансировать рационы КРС по сахаропротеиновому соотношению, вовлекая в более глубокую переработку фуражное зерновое сырье и другие крахмалосодержащие отходы. Весь процесс биоконверсии зернового сырья на углеводные кормовые патоки можно проводить в одном аппарате, где идут гомогенизация, дезагломерация, нагрев и гидролиз сырья.

Литература

1. Балабудкин, М.А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности /

М.А. Балабудкин. - М.: Медицина, 1983. - С. 160.

2. Плотников, В.А. Разработка и исследование роторно-пульсационного аппарата для получения комбинированных продуктов питания на молочной основе: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.А. Плотников. - Кемерово, 2000. - 16 с.

3. Механоакустические технологии в синтезе циклодекстринов. Ожижение нативного крахмала / В.П. Мухина [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - №3. - С.38-41.

4. Калинина, О.А. Разработка высокоэффективной, малоотходной технологии этанола из зерна ржи на основе механокавитационной обработки. I - Стадия приготовления замеса / О.А. Калинина, В.П. Леденев, Л.Н. Крикунова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - №6. - С.35-40.

5. Пастеризация молока и сливок в суперкавитирующем аппарате роторно-пульсационного типа / Г.С. Михалкина [и др.] // Молочная пром-сть. — 1999. - №8. - С.32-33.

6. Макаренко, М.М. К вопросу о получении пищевых эмульсий на механо-акустическом гомогенизаторе / М.М. Макаренко, Е.Г. Порсев // Пища. Экология. Качество: тр. III междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2003. - С.495-500.

7. Голубев, А.А. Гидроакустические аппараты по переработке растительного сырья / А.А. Голубев,

A.А. Гаджаева, В.В. Кожухарь, Т.М. Корчнева // Пищевая пром-сть.- 1992. - №7. - С.11-12.

8. Голубев, В.Н. Холодная технология пектина / В.Н. Голубев, С.Н. Гудков, О.Г. Никеладзе // Пищевая пром-сть. - 1991. - №2. - С.11-13.

9. Бодня, М.Д. Непрерывный процесс диспергирования пигментов при производстве эмалей путем озвучивания излучателями сиренного типа / М.Д. Бодня // Лакокрасочные материалы и их применение. -1969. - №1. - С.24-26.

10. А.с. 237104 СССР. Машина для диспергирования лакокрасочных материалов / Н. А. Сидоров, Ю.Ф. Бортник // БИ. - 1970. - №8.

11. Бутко, Г.Ю. Исследование процессов эмульгирования в роторно-пульсационном аппарате применительно к целлюлозно-бумажному производству: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Г.Ю. Бутко. - Л., 1975. - 19с.

12. Бугай, А.С. Центробежно-пульсационные аппараты в целлюлозно-бумажном производстве / А.С. Бугай // Бумажная пром-сть. -1964. - №8.- С.8-11.

13. Федоткин, И.М. Использование кавитации в технологических процессах / И.М. Федоткин, А.Ф. Нем-чин. - Киев: Высш. шк., 1984. - 240с.

14. Ткаченко, А.Н. Кавитационные техника и технологии / А.Н. Ткаченко. - Киев: Техника, 2001. - 462с.

15. Фиалкова, Е.А. Гомогенизация. Новый взгляд: моногр.-справ. / Е.А. Фиалкова. - СПб.: Гиорд, 2006. -392с.

16. Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах / Б.Г. Новицкий. - М.: Химия, 1983. - 192с.

17. Липатова, И.М. Исследование деструкции крахмала при механическом способе получения гелеобразных материалов на его основе / И.М. Липатова, А.А. Юсова, А.П. Морыганов // ЖПХ. - 2000. -Т.73. - №8. - С. 1372-1376.

18. Липатова, И.М. Влияние интенсивных механических воздействий на структуру гидрогелей крахмала / И.М. Липатова, А.А. Юсова, С.В. Блохина, А.П. Морыганов // ЖПХ. - 2001. - Т.74. - №9. - С. 15171521.

19. Липатова, И.М. Исследование влияния ультразвукового поля на состояние гидрогелей крахмала / И.М. Липатова, Н.В. Лосев, А.А. Юсова // ЖПХ. - 2002. - Т.75. - №4. - С.540-544.

20. Патент РФ №2285725 от 20.10.2006г. Способ получения сахаристых продуктов из зернового сырья /

B.В. Аксёнов, Е.Г. Порсев, В.М. Незамутдинов, К.Я. Мотовилов.

21. Использование углеводной кормовой добавки, полученной из зерна пшеницы и ржи в рационах лак-тирующих коров: метод. рекомендации / К.Я. Мотовилов [и др.]. - Новосибирск, 2006. - 22с.