Исследование различных сортов тритикале для использования их в спиртовом производстве

ОСНОВА КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ

ТЕМА НОМЕРА

УдК 663.5

исследование различных сортов тритикале для использования их в спиртовом производстве

М. Б. Оверченко,

канд. техн. наук; Н. И. Игнатова; Е. М. Серба,

канд. техн. наук, доцент;

Н. В. Шелехова,

канд. экон. наук;

О. В. Веселовская;

И. М. Абрамова,

канд. техн. наук;

Л. В. Римарева,

д-р техн. наук, профессор

ВНИИ пищевой биотехнологии

Технология пищевого спирта из крахмалсодержащего сырья основана на ферментативном катализе высокомолекулярных полисахаридов перерабатываемого субстрата с образованием сбраживаемых углеводов, которые превращаются дрожжами в этиловый спирт.

В производстве этилового спирта используют в основном зерно, мелассу и картофель. За последние десятилетия произошли существенные изменения в сторону вытеснения из спиртового производства картофеля и мелассы: доля зерновых в общем объеме применяемого сырья увеличилась до 92,5% [1, 2]. Применение зернового сырья позволяет получить более высокий выход спирта с лучшими физико-химическими и органолептическими показателями. При этом актуальной задачей, стоящей перед производителями, является эффективное и рациональное использование сырья [3].

Важная особенность спиртового производства — тесная зависимость от сырьевой базы, а также его большая науко- и материалоемкость. Доля расходов на зерно в себестоимости спирта составляет 65-75% [4]. Кроме того, качество вырабатываемого этилового спирта находится в прямой зависимости от качества перерабатываемого зерна. Наиболее широко применяемыми зерновыми культурами являются пшеница и рожь, в меньшей степени — ячмень, кукуруза, сорго и др. Тенденция расширения сырьевого ассортимента ставит вопрос об использовании для получения спирта такой культуры, как тритикале.

Тритикале — зерновая культура, представляющая собой ботаниче-

ский род, полученный путем объединения хромосомных комплексов двух различных родов — пшеницы и ржи и объединяющий в себе ценные свойства этих сельскохозяйственных культур. По ряду важнейших показателей, таких как урожайность, питательная ценность, устойчивость к неблагоприятным погодным условиям и болезням и др., тритикале превосходит обоих родителей, и наблюдается тенденция к расширению ее посевных площадей. Тритикале дает более высокие урожаи при посеве на обедненных почвах — это относится как к озимым, так и яровым посевам [5]. Себестоимость 1 ц тритикале на 5-6% ниже, чем в среднем по зерновым культурам, а рентабельность — на 10% выше.

Как известно, в производстве спирта зерно принято оценивать с точки зрения содержания в нем основного сбраживаемого компонента — крахмала. При разработке новых технологий такой подход не может в полной мере охарактеризовать сырье, являющееся многокомпонентным субстратом. Усредненный состав тритикале составляет (%): вода — 14,0; белки — 12,8; углеводы — 68,6; жиры — 1,5; клетчатка — 3,1 и зола — 2,0 [6].

Главным компонентом зерна тритикале, как и всех зерновых культур, является крахмал. На его долю приходится 3/4 массы зерна. Крахмал тритикале отличается от крахмала пшеницы и ржи низким содержанием амилозы (23,9%) [7]. По содержанию клейковинообразующих белков тритикале немного превышает рожь и приближается к пшенице. По коли-

14 ПИВО и НАПИТКИ 6 • 2014

честву клейковины это зерно также приближается к пшенице. Содержание гумми-веществ в различных сортах тритикале колеблется от 1,82 до 3,48%, а содержание гемицел-люлоз — от 5,81 до 7,28%. В зерне тритикале по сравнению с пшеницей содержится больше незаменимых аминокислот, особенно лизина, а также других аминокислот, таких как аргинин, аланин, аспарагиновая кислота. Кроме того, в муке тритикале отмечено повышенное содержание Р-каротина, витаминов В1, В2, РР, Mg+2 и Fe+2 по сравнению с пшеничной мукой.

Основное назначение тритикале — корм для животных в виде зернофуража. Благодаря аминокислотному и витаминному составу в комбикорма включают до 30-40% зерна тритикале. В последнее время эту зерновую культуру используют в хлебопекарной отрасли при приготовлении печенья. Тритикале находит применение в бродильных производствах, в частности, в пивоваренном — для приготовления солода в производстве темного пива, в том числе и для получения концентрата квасного сусла [8-10].

По своему биохимическому составу зерно тритикале может быть использовано также и в производстве этанола. Наличие в этой культуре большого количества белка, гумми-веществ и гемицеллюлоз предполагает на стадии подготовки сусла применение наряду с амилолитиче-скими ферментами ферментов про-теолитического и гемицеллюлазного действия [11].

Цель настоящей работы — проведение сравнительных исследований новых селекционированных сортов тритикале и отбор наиболее перспективных для спиртового брожения.

В качестве объектов исследований использовали 10 сортов зерна тритикале, предоставленных Донским зональным научно-исследовательским институтом сельского хозяйства.

Сбраживание подготовленного зернового сусла из тритикале осуществляли расой спиртовых дрожжей Sacсharomyces cerevisiae 985-Т, селекционированной во ВНИИ пищевой биотехнологии [12].

Процесс сбраживания сусла из различных сортов тритикале проводили методом постановки бродильных проб. Концентрацию сусла, дрожжей, остаточных углеводов,

ССЭЛПА^уЛ^Ти _ Л^УЛОА l^AUC^TOA ППЛГ1У|/| IIJip*

б5ЕЗОПАСНОСТЬ — ОСНОВАКАЧЕСТВАПРОДУКЦИИ

Таблица 1

Сорт Крахмалистость, % Белок, % а. с. в. Влажность, %

Бард 60,6 12,8 9,5

Консул 61,4 13,0 10,0

Вокализ 56,1 15,9 10,7

Легион 64,4 12,5 9,6

Алмаз 59,0 12,5 9,1

Зимогор 57,0 16,5 9,8

Корнет 63,5 12,3 9,9

Капрал 58,7 14,3 9,1

Ацтек 58,1 15,6 9,5

Дон 62,0 13,7 9,1

0

1 <

§

ш I-

спирта и его выход контролировали согласно инструкции технохимиче-ского контроля спиртового производства [13].

Контроль состояния дрожжей осуществляли по количеству дрожжевых клеток в 1 см3 сусла (подсчет проводили в камере Горяева). Для измерения вязкости сусла (в мПа/с) использовали вискозиметр SV-10. Влажность молотого зерна тритикале определяли на анализаторе влажности ЭВ ЛАС-2М и выражали в процентах.

Белок (сырой протеин) определяли по методу Къельдаля на автоматической установке определения азота Vadopest 10 (Gerhardt, Германия) с использованием автоматического титратора DL 15 (Meltler Toledo, Швейцария) и выражали в % на абсолютно сухое вещество (а.с.в.).

Концентрацию побочных метаболитов, сопутствующих синтезу этанола, устанавливали с использованием газовой хроматографии. В отгонах бражки определяли побочные продукты: метанол, альдегиды, эфи-ры и высшие спирты, органические кислоты газохроматографическим методом на газовом хроматографе НР «Agilent» 6850 по методике, раз-

U 120-Г

1 100

° 80

СЦ

" 60

ГО

I 40 20

5 0

Рожь Тритикале Пшеница

Рис. 1. Реологические показатели различных видов зернового сусла с концентрацией растворимых сухих веществ 20%

работанной для анализа содержания токсичных микропримесей в водке и спирте этиловом ГОСТ 30536-97 [14].

В исследуемых образцах тритикале различных сортов были определены крахмалистость, влажность, содержание белка (табл. 1). Содержание крахмала в образцах тритикале находилось в пределах 56,1-64,4%, белка — 12,6-16,5% на а. с. в., влажность составляла 9,1-10,7%.

На первом этапе проведены сравнительные исследования сусла с концентрацией растворимых сухих веществ (РСВ) — 20%, приготовленного из зерна ржи, пшеницы и тритикале механико-ферментативным способом с использованием ферментов амилолитического и гемицел-люлазного действия в соответствии с установленными нормами их расхода [11]. Результаты анализа вязкости зернового сусла представлены на рис. 1.

Установлено, что вязкость сусла из тритикале на 20% ниже вязкости сусла из ржи, но несколько уступает пшеничному, занимая по реологическим свойствам промежуточное положение между ними.

На следующем этапе были проведены испытания различных сортов тритикале по сбраживанию сусла, приготовленного из них, с целью выявления сортов, обеспечивающих наибольший выход конечного продукта — этанола.

Замес сырья осуществляли при гидромодуле 1:3. Подготовку зернового сусла проводили по схеме гидродинамической и ферментативной обработки муки с использованием полного комплекса ферментных препаратов амилолитического, протеолитиче-ского и гемицеллюлазного действия. Брожение осуществляли при температуре 35 °С в течение 66 ч. Ис-

6 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 15

ш §

0

1 <

§

ш I-

БЕЗОПАСНОСТЬ-ОСНОВАКАЧЕСТВАПРОДУКЦИИ'

ходная концентрация сусла при этом составила 21-22% РСВ. Результаты брожения по остаточным углеводам, концентрации и выходу спирта представлены на рис. 2 и в табл. 2.

Как видно из табл. 2, наилучшие показатели по брожению показали такие сорта тритикале, как Вокализ, Алмаз и Ацтек. Через 66 ч брожения концентрация остаточных углеводов (РВ) составила 0,42-0,59 г/100 см3, при этом показатели по выходу этанола были самые высокие из исследуемых сортов тритикале: 66,1-67,8 см3/100 г крахмала. Эти данные соизмеримы с выходом спирта, полученным при переработке пшеницы и ржи (65,767,9 дал/т, 64,8-66,0 дал/т крахмала, соответственно).

Известно, что наиболее предпочтительным азотистым питанием для дрожжей Sacсharomyces сеге-visiae являются аминокислоты и низкомолекулярные ди- и трипептиды [15]. Для обеспечения эффективного сбраживания зернового сусла применяют ферменты протеолитического действия, в составе которых присутствуют эндопептидазы, катализирующие гидролиз белковых веществ до свободных аминокислот [16]. Поэтому, на следующем этапе исследований изучали зависимость между количественным содержанием белка в сырье и выходом спирта. Чтобы исключить действие грибных эндопептидаз на гидролиз белковых веществ, влияющих на интенсификацию процесса броже-

10 -

i..........

Бард Консул Вокализ Легион Алмаз Зимогор Корнет Капрал Ацтек Дон Крахмалистость, % Выход спирта, см3/100 г

0

Рис. 2. Показатели по выходу спирта при сбраживании различных сортов тритикале

Таблица 2

Сорт Характеристика бражки на 66 ч брожения Остаточные углеводы Концентрация i™"™' РВ, г/100 см3 ОРВ, г/100 см3 спирта' об. % кра'хмал а

Бард 0,90 1,20 10,87 61,6

Консул 0,58 0,67 11,03 63,1

Вокализ 0,42 0,50 10,70 67,8

Легион 0,63 0,90 10,96 61,4

Алмаз 0,56 0,77 11,05 66,4

Зимогор 0,42 0,49 10,44 65,4

Корнет 1,05 1,30 10,25 59,8

Капрал 0,84 0,95 10,45 62,9

Ацтек 0,59 0,80 10,70 66,1

Дон 0,80 1,30 11,10 63,3

Таблица 3

Сорт Характеристика бражки на 66 ч брожения Остаточные углеводы Концентрация Вых<3/ РВ, г/100 см3 ОРВ, г/100 см3 спирта, об % ¡¿расшал а

Вокализ 0,80 1,1 9,8 64,2

Легион 0,93 1,4 10,5 60,9

Алмаз 0,78 1,0 10,2 64,5

Зимогор 0,90 1,2 9,7 63,9

Корнет 1,10 1,3 10,0 57,8

Ацтек 0,82 1,1 10,0 64,0

ния и выход спирта, осахаривание сусла осуществляли только амило-литическими ферментами. Для этого были отобраны 3 сорта тритикале — Легион, Алмаз, Корнет — с наименьшим содержанием белка (12,3-12,5% на а.с.в.) и 3 сорта — Вокализ, Зимо-гор, Ацтек — с максимальным содержанием белка (15,6-16,5% на а.с.в.). Полученные результаты представлены в табл. 3.

Таким образом, подтвердилось положение, что использование полного комплекса ферментов при подготовке зерна тритикале к сбраживанию позволяет повысить его эффективность по сравнению с использованием только ферментов амилолитического действия. Так, при сравнении данных табл. 2 и 3 следует, что выход спирта при сбраживании сусла, обработанного комплексом ферментов ами-лолитического, протеолитического и гемицеллюлазного действия, увеличивался на 2,9-5,3%.

Применение полного комплекса ферментов наряду с увеличением выхода спирта одновременно способствовало снижению образования побочных метаболитов, сопутствующих синтезу этанола (рис. 3 и 4).

Концентрация общих примесей при сбраживании сусла, полученного с использованием только ферментов амилолитического действия, составила 12 440-13 500 мг/дм3. Присутствие в комплексе ферментов про-теолитического и гемицеллюлазного действия позволило уменьшить образование побочных метаболитов более чем в 2 раза — до концентрации 5280-7000 мг/дм3, в основном за счет снижения синтеза высших спиртов, альдегидов и сложных эфиров. Использование полного комплекса ферментов при подготовке сырья к сбраживанию позволяет улучшить качество целевого продукта — этанола.

В результате работы подобран ферментативный комплекс, обеспечивающий высокий выход спирта с одновременным снижением образования побочных метаболитов, сопутствующих синтезу этанола, более чем в 2 раза (рис. 5).

Установлено, что комплекс ферментов амилолитического, протеолитиче-ского и гемицеллюлазного действия обеспечивает наибольший выход спирта при сбраживании сортов тритикале Вокализ, Алмаз и Ацтек с пониженным образованием побочных продуктов брожения. Эти сорта тритикале

16 ПИВО и НАПИТКИ 6 • 2014

можно рекомендовать для сбраживания в этанол.

В результате работы отобрано 3 перспективных сорта тритикале, использование которых обеспечивает высокий выход спирта с пониженным образованием побочных продуктов брожения для разработки технологии спирта на основе тритикале.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алтухов, А. И. Проблемы формирования и развития зернового рынка в России / А. И. Алтухов. — М., 1998. — 298 с.

2. Чешинский, Л. С. Рынок зернового сырья для производства спирта // Пиво и напитки. — 1999. — № 5. — С. 38-42.

3. Поляков, В. А. О перспективах развития спиртовой отрасли / В. А. Поляков, Л. В. Ри-марева // Производство спирта и ликерово-дочных изделий. — 2010. — № 2. — С. 4-7.

4. Леденев, В. П. Технология комплексной переработки зернового сырья на спирт и концентрированные кормопродукты «Экоспирт» / В. П. Леденев //Сб.: Современные прогрессивные технологии и оборудование в спиртовой и ликероводочной промышленности. Вторая межд. Научно-практич. конф. — М. — 2000. — С. 24-47.

5. Гордеев, А. В. Россия — зерновая держава / А. В. Гордеев, В. А. Бутковский. — М.: ДеЛи принт. — 2009. — 471 с.

6. Козьмина, Н. П. Биохимия зерна и продуктов его переработки / Н. П. Козьмина. — М.: Колос. — 1976. — 375 с.

7. Технология производства и качества продовольственного зерна / Э. М. Мухаметов [и др.]. — Минск: Дизайн-ПРО. — 1996. — С. 6-60.

8. Болотов, Д. Н. Совершенствование технологии солодов из тритикале и применение их в пищевой промышленности: автореф. дис. кан,д. техн. наук / Д. Н. Болотов. — Воронеж: Воронежская государственная технологическая академия, 2004. — 23 с.

9. Кобелев, К. В. Свойства тритикале и перспективы ее использования в бродильных производствах / К. В. Кобелев, М. В. Гернет [и др.] // Хранение и переработка сельхоз-сырья. — 2013. — № 5. — С. 51-53.

10. Кобелев, К. В. Мониторинг качества ржи и тритикале / К. В. Кобелев, И. Н. Гриб-кова [и др.] // Пиво и напитки. — 2013. — № 1. — С. 40-43.

11. Римарева, Л. В. Теоретические и практические основы ферментативного катализа полимеров зернового сырья в спиртовом производстве /Л. В. Римарева, М. Б. Овер-ченко, Н. И. Игнатова, И. М. Абрамова // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2008. — № 3. — С. 4-9.

12. Патент RU № 23311667 кл. С^ 1/16. Применение штамма Saccharomyces cere-

б5ЕЗОПАСНОСТЬ — ОСНОВАКАЧЕСТВАПРОДУКЦИИ

14 000 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

........

г:

ш §

0

1 <

§

ш I-

Вокализ Легион Алмаз Зимогор Корнет

Основные примеси Общие примеси

Ацтек

Рис. 3. Синтез побочных метаболитов при сбраживании зерна тритикале без протеаз

8000 -г

5 7000 -

4000 -3000 -

2000 -

Бард Консул Вокализ Легион Алмаз Зимогор Корнет Капрал Ацтек Дон Основные примеси Общие примеси

0

6000 -

^ 5000 -

1000 -

0

Рис. 4. Синтез побочных метаболитов при сбраживании различных сортов тритикале с использованием полного комплекса ферментов

% 100 п

80 -

60 -

40 -

Выход спирта АС+ГлС Выход спирта, Побочные Побочные метаболиты,

полный комплекс ФП метаболиты АС+ГлС полный комплекс ФП

Вокализ Легион

Алмаз

Зимогор Корнет Ацтек

Рис. 5. Зависимость выхода спирта и образования побочных метаболитов

от используемых ферментативных систем при сбраживании тритикале

visiae ВКПМ Y-3137 в качестве средства, снижающего образование побочных метаболитов в процессе получения спирта. 2005.

13. Инструкция по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового

производства / В. А. Поляков [ и др.] // М.: ДеЛи принт. — 2007. — 480 с.

14. ГОСТ 30536-97. Водка и спирт этиловый. Газохроматографический метод определения содержания микропримесей.

15. Римарева, Л. В. Теоретические и практи-

20 -

0

6 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 17

ш h

БЕЗОПАСНОСТЬ-ОСНОВАКАЧЕСТВАПРОДУКЦИИ'

ческие основы биотехнологии дрожжей / Л. В. Римарева // М.: ДеЛи принт. — 2010. — 256 с.

16. Римарева, Л. В. Использование про-теолитического ферментного препарата из Aspergillus oryzae в спиртовом брожении

/ Л. В. Римарева, М. Б. Оверченко // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2005. — № 4. — С. 12-14. <&

Исследование различных сортов тритикале для использования их в спиртовом производстве

Ключевые слова

тритикале; дрожжи; зерновое сусло; этанол; метаболизм; побочные метаболиты. Реферат

Проведены сравнительные исследования селекционированных сортов тритикале по содержанию крахмала и белковых веществ. Подобран комплекс ферментов амилолитического, протеолитического и гемицеллюлазного действия, обеспечивающий эффективную конверсию углеводов и белков зерна тритикале в низкомолекулярные соединения, что позволило повысить выход спирта на 2,9-5,3%, снизить образование побочных метаболитов, сопутствующих синтезу этанола. В результате сравнительных испытаний отобрано 3 перспективных сорта тритикале, использование которых обеспечивает высокий выход спирта с пониженным образованием побочных продуктов брожения для разработки технологии спирта на основе тритикале.

Авторы

Оверченко Марина Борисовна, канд. техн. наук;

Игнатова Надежда Иосифовна;

Серба Елена Михайловна, канд. техн. наук;

Шелехова Наталья Викторовна, канд. экон. наук;

Веселовская Ольга Владимировна;

Абрамова Ирина Михайловна, канд. техн. наук;

Римарева Любовь Вячеславовна, д-р техн. наук, профессор

ВНИИ пищевой биотехнологии,

111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4б, mb_over@mail.ru

Study Triticale Different Varieties for Use in Alcohol Production

Key words

triticale; yeast; grain mash; ethanol; metabolism; side metabolites. Abstract

Comparative studies were done for selection of varieties oftriticale starch content and protein substances. Matched amylolytic enzyme complex, proteolytic and hemicellulase activities providing an efficient conversion of carbohydrates and proteins in triticale grain low molecular weight compounds, thus improving the yield of alcohol on 2.9-5.3%, reduce the formation of by-metabolites, concomitant synthesis of ethanol. As a result of comparative tests selected three promising varieties of triticale, the use of which provides a high yield of alcohol reduced the formation of by-products of fermentation technology for the development of alcohol-based triticale.

Authors

Overchenko Marina Borisovna, Candidate of Technical Science;

Ignatovа Nadezhda Iosifivna;

Serbo Elena Mihailovna, Candidate of Technical Science;

Shelehova Natalya Viktorovna, Candidate of Economic Science;

Veselovskaya Olga Vladimirovna;

Abramovа Irina Mihailovna, Candidate of Technical Science;

Rimareva Lubov Viacheslavovna, Doctor of Technical Science, Professor

All-Russian Research Institute of Food Biotechnology,

4B Samokatnaya st., Moscow, 111033, Russia, mb_over@mail.ru

• Мастер-классы • Семинары • Презентации

2-4 апреля 2015, СОЧИ «ЕхроРоосЯ»

XII специализированная выставка продуктов питания и напитков

«ИНДУСТРИЯ ГОСТЕПРИИМСТВА И РАЗВЛЕЧЕНИЙ»

XIV специализированная выставка оборудования и технологий для гостиниц, санаториев, пансионатов, ресторанов, кафе и баров

ИНТЕРЕСНЕЙШИЕ СОБЫТИЯ В КУЛИНАРНОМ МИРЕ!

Чемпионаты  Мастер-классы  Семинары * Презентации

При поддержке: Ii

Официальный партнер:

информационный партнер yjjjgj

Стратегический »«^^^д партнер по I «ЧН it] iy. 1: СО;reif Г Северо-Западу: ^шяшшлляшшшяшш

Официальный I Ü k|1 ¡/lj ilWI медиапартнер: fWVv*

д Региональный -

л информационный Business S

•А партнер:

Выставочная компания «Сочи-Экспо ТПП г. Сочи»

СОЧИЭКСПО тел.: (862) 264-87-00, (495) 745-77-09, www.sochi-expo.ru

18 ПИВО и НАПИТКИ 6 • 2014