Определение состава летучих органических примесей зерновой бражки методом газовой хроматографии

УдК 663.51; 542.8

определение состава летучих органических примесей

зерновой бражки методом газовой хроматографии

Н. В. Шелехова,

канд. экон. наук; Л. В. Римарева,

д-р техн. наук,

профессор, акад. РАН;

Т. М. Шелехова,

канд. техн. наук;

О. В. Веселовская

ВНИИПБТ - филиал ФГБУН

«ФИЦ питания и биотехнологии»

Один из путей снижения количества примесей этанола — это регулирование режимов технологических процессов для обеспечения условий, способствующих направленному синтезу этанола с пониженным образованием побочных продуктов в процессе биокаталитической и микробной конверсии зернового сырья.

Бражка представляет собой сложную многокомпонентную смесь органических и неорганических веществ. Состав бражки зависит от вида сырья, технологических режимов производства спирта и многих других факторов. В настоящее время контроль брожения проводят в соответствии с нормативно-технической документацией по таким показателям как видимая плотность, истинные сухие вещества, несброженные РВ, нерастворимый крахмал, титруемая кислотность, рН среды, содержание спирта. Важно подчеркнуть, что в требованиях нормативной документации, предъявляемых к качеству бражки, определение содержания летучих органических примесей не предусмотрено, возможно, из-за длительности, трудоемкости и сложности проведения анализов существующими методами.

Вполне очевидно, что целенаправленно управлять биохимическими процессами спиртового брожения возможно лишь в том случае, если изучен компонентный состав бражки. В этой связи актуальной задачей становится разработка новых инструментальных методик, позволяющих дифференцированно контролировать содержание опре-

деляемых компонентов, входящих в состав бражки и выявлять причины их образования.

При проведении исследований использовали газовые хроматографы «Маэстро 7820» и Agilent 6850 с пламенно-ионизационным детектором. Объектом исследования была бражка из пищевого сырья.

В целях обеспечения оперативного контроля и регулирования биотехнологических процессов, происходящих на стадии брожения, проведены исследования по разработке газохроматографической методики определения летучих органических примесей в бражке. Методика основана на хроматографическом разделении летучих органических примесей и их последующем детектировании пламенно-ионизационным детектором. Следует отметить, что метод газовой хроматографии отличается высокой степенью информативности, универсальностью, избирательностью, низким пределом обнаружения.

Для разработки методики были приготовлены модельные растворы, в состав которых выключены альдегиды, эфиры, кетоны, метиловый спирт, компоненты сивушного масла, фурфурол, летучие органические кислоты и гликоли.

Проведены исследования и подобраны оптимальные режимные параметры газового хроматографа: температура детектора 220...250 °С; температура испарителя 120...200 °С; начальная температура термостата 50...80 °С; изотерма 7-8 мин; скорость нагрева до температуры 220 °С — 10 °С/мин;

ПИВО и НАПИТКИ

3 • 2017

коэффициент деления потока 20 :1; скорость потока газа-носителя 0,048-0,072 дм3/ч.

Установлены диапазоны измеряемых концентраций, которые составляют для метилового спирта от 0,00020 % до 0,0020 %; этилфор-миата, этилпропионата, изоами-лацетата, этиллактата, этилка-прилата, 2-пропанола, 1-бутанола, 1-пентанола, фурфурилового спирта, ацетона, диацетила, фурфурола, d-2,3-бутандиола — от 1,5 до 20 мг/дм3; этилацетата, 1-пропанола, 1,3-бутандиола, изомасляной, масляной, изовалериановой, валериановой, капроновой кислот — от 4,0 до

50 мг/дм3; уксусного альдегида, изо-бутилового спирта, 2-фенилэтанола, 1-2,3-бутандиола, уксусной кислоты — от 10 до 100 мг /дм3 и изоамилового спирта — от 30 до 350 мг/дм3.

В результате проведенных исследований метрологически аттестована газохроматографическая методика определения содержания летучих органических примесей в бражке. Границы относительной погрешности методики измерений в диапазоне от 1,5 до 20 мг/дм3 составляют не более 25%, в диапазоне от 10 до 350 мг/ дм3 не более 15%. Продолжительность анализа 20-25 мин.

Рис. 1. Хроматограмма бражки

69

48

I IАцетальдегид

I I Метанол

I I1-пропанол

I I 1-бутанол

I IУксусная кислота

I I Изомасляная кислота

I IИзовалериановая кислота

I I 1,3-бутандиол

150 200 250

Содержание, мг/дм3

I I Ацетон

I I2-пропанол

I IИзобутанол

I I Изоамилол

I I Фурфурол

I I L-2,3-бутандиол

I I Фурфуриловый спирт

I I Капроновая кислота

I IЭтилацетат

I I Диацетил

I I Изоамилацетат

I IЭтиллактат

I I D-2,3-бутандиол

I I Масляная кислота

I I Валериановая кислота

I I2-фенилэтанол

24

0

50

100

300

350

400

Рис. 2. Состав летучих органических примесей бражки

^_кСОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

Таким образом, разработана методика определения содержания летучих органических примесей в бражке из зернового сырья методом газовой хроматографии и включена в национальный стандарт [1]. Пример хроматограммы бражки представлен на рис. 1.

Известно, что эффективность процесса производства спирта во многом зависит от качества исходного сырья, расы используемых дрожжей, ферментных препаратов и технологических режимов [2]. Разработанная методика дает возможность получать информацию об изменении концентраций веществ, участвующих в многочисленных биохимических, реакциях, происходящих в процессе брожения.

Методика широко применяется в фундаментальных исследованиях ВНИИПБТ, посвященных решению таких проблем, как повышение концентрации перерабатываемого сусла, проведение брожения при повышенных температурах и крепости спирта, уменьшение образования побочных продуктов при сбраживании зернового сусла, получение новых штаммов дрожжей с заданными свойствами и утилизация отходов спиртового производства.

С использованием разработанной газохроматографической методики определения летучих органических примесей в бражке из пищевого сырья выявлены факторы, оказывающие воздействие на образование целевого продукта — этанола — и сопутствующих метаболитов, что позволяет оптимизировать биотехнологические процессы бродильных производств [2-8].

В производственных условиях, с использованием разработанной газохроматографической экспресс-методики определения содержания органических примесей, образующихся в бражке в процессе биокаталитической и микробной конверсии зернового сырья, исследован качественный и количественный состав летучих органических примесей в бражке.

На рис. 2 показана динамика синтеза летучих органических веществ различных классов: высших и ароматических спиртов, альдегидов, сложных эфиров и органических кислот, гликолей, образующихся в процессе сбраживания зернового сусла. Для

3 • 2017 ПИВО и НАПИТКИ 37 ™

контроль КАЧЕСТВА4

приготовления замеса использовали зерносмесь пшеница / рожь (70 /30). Пшеница: сорность 1,5; влажность 13,6; крахмалистость 53,96. Рожь: сорность 1,6; влажность 13,1; крахмалистость 54,76. Для приготовления солода использовали зерносмесь ячмень / просо (70 / 30). Ячмень: сорность 0,5; влажность 45,0; прорастаемость 94,0. Просо: сорность 0,5; влажность 42,0, прорастаемость 87,5. Для сбраживания зернового сусла применяли термотолерантную расу спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae 985Т.

Показано, что методика позволяет контролировать этапы образования примесей. Так, например, динамика кислот в процессе брожения имела явную тенденцию к нарастанию. Содержание уксусной кислоты увеличилось в 3,9 раза, изомас-ляной в 1,8 раза, изовалериановой в 1,4 раза, масляной в 1,8 раза, капроновой в 1,2 раза, валериановой в 1,5 раза.

Таким образом, внедрение методики на заводах отрасли позволит

осуществлять оперативный контроль образования метаболитов с целью регулирования процессов брожения.

На основании вышеизложенного можно заключить, что методика представляет несомненный научно-практический интерес, как для исследовательских работ, так и для использования в контроле и регулировании технологических процессов спиртового производства.

В результате проведенных исследований разработана газохромато-графическая методика определения содержания летучих органических примесей в бражке из пищевого сырья. Методика обладает высокой чувствительностью и селективностью, позволяет контролировать образование побочных метаболитов, оптимизировать биотехнологические процессы бродильных производств, дает возможность получать информацию об изменении концентраций веществ, участвующих в многочисленных биохимических реакциях, происходящих в процессе брожения.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 55792—2013 Бражка из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения содержания летучих органических примесей. — Введ. 2015-07-01. — М.: Стандартинформ, 2014. — III. — 16 с.

2. Римарева, Л. В. Теоретические и практические основы биотехнологии дрожжей/ Учебное пособие. — М.: ДеЛипринт. 2010. — 252 с.

3. Исследование метаболитов, сопутствующих синтезу этанола при сбраживании концентрированного зернового сусла осмофиль-ным штаммом дрожжей Saccharomyces cerevisiae/Е. М. Серба, М. Б. Оверченко, Л. В. Римарева, Н. И. Игнатова, О. В. Весе-ловская, Н. В. Шелехова // Производство спирта и спиртных напитков. — 2013. — № 2. — С. 16-19.

4. Римарева, Л. В. Влияние ферментативных комплексов на процессы глубокой переработки зернового сырья в ресурсосберегающей технологии спирта/Л. В. Римарева, М. Б. Оверченко, Е. М. Серба, Н. И. Игнатова, Н. В. Шелехова, О. В. Веселовская // Сб. «Перспективные биотех. процессы в техн. продуктов питания и кормов»/под ред. В. А. Полякова, Л. В. Римаревой. — Москва, 2014. — С. 213-219.

38 ПИВО и НАПИТКИ

3 • 2017

5. Римарева, Л. В. Влияние ферментных комплексов на метаболизм спиртовых дрожжей и накопление ионов неорганической природы в концентрированном зерновом сусле/ Л. В. Римарева, М. Б. Овер-ченко, Н. И. Игнатова, Н. В. Шелехо-ва, Е. М. Серба, Н. Н. Мартыненко, А. Ю. Кривова // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. — 2016. — № 3. — С. 28-31.

6. Shelekhova, N. V. Scientific support for the regulation of technological processes for

Чонтроль КАЧЕСТВА

the production of spirit/N. V. Shelekhova, V. A. Polyakov, L. V. Rimareva, T. M. Shelekhova, O. V. Veselovskaya // Global Science and Innovation: materials of the V International Scientific Conference, Chicago, June 24-25th, 2015/publishing office Accent Graphics communications — Chicago — USA, 2015. — 355-363 p.

7. Шелехова, Н. В. Комплексная система контроля производства этилового спирта и спиртных напитков/Н. В. Шелехова, В. А. Поляков, Л. В. Римарева // Хранение

и переработка сельхозсырья. — 2015. — № 12. — С. 53-56.

8. Shelekhova, N. V. Modern instrumental methods of analysis in the system of control technological processes of production of alcoholic products/N. V. Shelekhova, T. M. Shelekhova T. M. // Global Science and Innovation: materials of the IV International Scientific Conference, Chicago, March 1213th, 2015/publishing office Accent Graphics communications — Chicago — USA, 2015. — 370-371 p. &

Определение состава

летучих органических примесей зерновой бражки методом газовой хроматографии

Ключевые слова

бражка; газовая хроматография; летучие органические примеси; методика; процесс брожения; технологические процессы; этиловый спирт.

Реферат

Один из путей снижения количества примесей этанола — регулирование режимов биотехнологических процессов в целях обеспечения условий, способствующих направленному синтезу этанола с пониженным образованием побочных продуктов в процессе биокаталитической и микробной конверсии зернового сырья. В требованиях нормативной документации, предъявляемых к качеству бражки, определение содержания летучих органических примесей не предусмотрено, возможно, из-за длительности и сложности проведения анализов методами. Разработана газохроматографическая методика, позволяющая получать информацию об изменении концентраций веществ, участвующих в многочисленных биохимических реакциях, происходящих в процессе брожения, обеспечить оперативный мониторинг процессов брожения. Границы относительной погрешности методики составляют не более 25%. Время анализа не превышает 25 мин. В производственных условиях с использованием разработанной газохроматографической экспресс-методики исследован качественный и количественный состав летучих органических примесей бражек из зернового сырья. Показано, что методика позволяет контролировать этапы образования 29 компонентов различных классов веществ, образующихся в бражке в процессе брожения — это альдегиды, эфиры, кетоны, метиловый спирт, компоненты сивушного масла, фурфурол, летучие органические кислоты и гликоли. Внедрение методики на заводах отрасли позволит определять компоненты, не нормируемые существующей документацией, но оказывающие существенное влияние на процесс брожения. Разработанная методика открывает перспективы развития научных исследований в области изучения побочных продуктов, образующихся в процессе спиртового брожения, что будет содействовать изучению механизмов сложных биологических процессов.

Авторы

Шелехова Наталия Викторовна, канд. экон. наук;

Римарева Любовь Вячеславовна, д-р техн. наук, профессор, акад. РАН;

Шелехова Тамара Михайловна, канд. техн. наук;

Веселовская Ольга Владимировна

ВНИИПБТ — филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»,

111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4 Б,

satella@mail.ru, 4953623751@mail.ru, lrimareva@mail.ru

Determination of the Composition of Volatile Organic Impurities of Cereal Bug by Gas Chromatography

Key words

bug; gas chromatography; volatile organic impurities; methodology; process of fermentation; technological processes; ethanol.

Abstract

One way to reduce the amount of ethanol impurities is to regulate the regimes of biotechnological processes in order to provide conditions conducive to directed synthesis of ethanol with reduced formation of by-products in the process of biocatalytic and microbial conversion of grain raw materials. In the requirements of the regulatory documentation required for the quality of mash, the determination of the content of volatile organic impurities is not provided, possibly because of the length and complexity of the analysis by methods. The gas chromatography method developed allows to obtain information on the change in the concentrations of substances involved in the numerous biochemical reactions occurring in the fermentation process, to provide an on-line monitoring of fermentation processes. The limits of the relative error of the methodology are no more than 25%. The analysis time does not exceed 25 minutes. In the production conditions, using the developed gas chromatographic express methodology, the qualitative and quantitative composition of the volatile organic impurities of the bobs from grain raw materials was studied. It is shown that the method allows to control the stages of formation of 29 components of various classes of substances formed in the brew during fermentation: aldehydes, eshers, ketones, methyl alcohol, fuel oil components, furfural, volatile organic acids and glycols. The implementation of the methodology at the plant's will allow determining components that are not standardized by existing documentation, but which have a significant effect on the fermentation process. The developed methodology opens the prospects for the development of scientific research in the field of the study of by-products formed in the process of alcohol fermentation, which will facilitate the study of the mechanisms of complex biological processes.

Authors

Shelekhova Natalia Victorovna, Candidate of Economical Science; Rimareva Lubov Vyacheslavovna, Doctor of Technical Science, Professor, Academician of RAS; Shelekhova Tamara Mikhailovna, Candidate of Technical Science; Veselovskaya Olga Vladimirovna

VNIIPBT — branch of FGBUN «FRC of nutrition and biotechnology», 4b Samokatnaya St., Moscow, 111033, Russia, satella@mail.ru, 4953623751@mail.ru, lrimareva@mail.ru

3 • 2017 ПИВО и НАПИТКИ 39