Разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с использованием янтарной кислоты. Часть II. Стадия сбраживания сусла

ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 664.73

Разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с использованием янтарной кислоты

Часть II. Стадия сбраживания сусла

С. М. Рябова,

канд. техн. наук; И. В. Лазарева,

канд. техн. наук; Н. Т. Семененко,

д-р техн. наук, доцент

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной

и винодельческой промышленности

Сбраживание зернового сусла — важный этап в технологии этанола, когда в результате сложных биохимических процессов образуется конечный продукт. Осахаренное сусло, полученное из зернового сырья, — сложная система, в состав которой наряду с лег-косбраживаемыми сахарами, такими как мальтоза и глюкоза, входят и промежуточные продукты распада крахмала, не усваиваемые дрожжевыми клетками.

На стадии сбраживания наряду со спиртом и углекислым газом образуются так называемые побочные продукты: высшие спирты, кислоты, эфиры, альдегиды и т.д. Происходят процессы превращения моносахаридов в спирт и расщепления декстринов, белков и других соединений. Соотношение скоростей реакций этих процессов имеет важное значение при сбраживании осахаренно-го сусла и определяется как исходным составом среды, так и технологическими характеристиками спиртовых дрожжей.

Эффективность использования технологии этанола оценивают по выходу спирта, а также по накоплению летучих примесей. В качестве факторов, влияющих на данные показатели, выделяют вид сырья, степень его дробления, норму внесения ферментных препаратов, способы производства сусла, температурно-временные режимы сбраживания и расу дрожжей.

Наиболее распространенное зерновое сырье для производства этанола — пшеница, рожь, ячмень. Использование в качестве сырья пшеницы характеризуется наибольшим выходом этанола, ячменя, напротив, наименьшим, что обусловливается биохимическим составом зерна.

Используемое на отечественных спиртовых заводах фуражное зерно с повышенной микрообсемененностью, независимо от применяемого режима водно-тепловой обработки, ухудшает технологические показатели брожения. Резко увеличивается содержание побочных продуктов за счет фракций летучих кислот, высших и ароматических спиртов, ацетальдегида, ухудшаются органо-лептические показатели спирта [1-3].

Степень дробления также оказывает существенное влияние на выход спирта [4, 5]. Применение на стадии водно-тепловой обработки тонкодисперсного однородного помола увеличивает степень доступности полимеров сырья действию ферментов, повышая концентрацию сбраживаемых сахаров. Однако использование таких помолов ухудшает реологическое поведение среды, повышая его вязкость. Разработаны мультэн-зимные комплексы [6, 7], при применении которых улучшались свойства обрабатываемых сред, что приводило к повышению выхода конечного продукта.

Дозировка и вид осахаривающих материалов влияют на качество спирта. Применение ферментных препаратов способствует большему накоплению альдегидов, эфиров и метанола в спирте по сравнению с солодом. Использование смеси солода и ферментного препарата позволяет получить спирт-ректификат более высокого качества [8].

В технологии спиртового производства классически применяют два способа получения этилового спирта: способ, основанный на разваривании сырья под давлением, и механико-ферментативный. Оба способа характеризуются повышенными температурами на ста-

32 ПИВО и НАПИТКИ

5 • 2014

дии водно-тепловой обработки, что приводит к потерям сбраживаемых углеводов. Применение низкотемпературных схем, не превышающих 70 °С, позволяет увеличить выход спирта при одновременном снижении общего содержания вредных летучих примесей, особенно при использовании зерна ржи, которое обладает широким спектром собственных гидролитических ферментов [9, 10].

На стадии сбраживания сусла в бродильных чанах температура среды поддерживается на уровне 28...30 °С. Снижение температуры до 22.25 °С значительно снижает образование высших спиртов и продуктов эфиральдегидной фракции, однако накопление этилового спирта при таких условиях ниже нормативного. Повышение температуры, напротив, увеличивает концентрацию летучих примесей. При применении на стадии сбраживания культуры термотолерантных дрожжей, адаптированных к повышенным температурам (до 34 °С), увеличивается выход спирта. Увеличение продолжительности сбраживания приводит к большему накоплению побочных продуктов брожения, преимущественно фракций летучих кислот и этилацетата [11, 12].

Раса дрожжей также оказывает влияние на процесс брожения. В последнее время широко применяют различные методы селекции, позволяющие получить новые штаммы дрожжей с заданными свойствами. Так, разработанные во ВНИИПБТ спиртовые дрожжи расы У-717, 985-Т, 987-О имеют высокую бродильную активность и конкурентоспособность по отношению к посторонней микрофлоре [12]. Метаболизм данных дрожжей направлен на образование спирта. При этом дрожжи расы 985-Т и 987-О синтезируют существенно меньше побочных метаболитов и летучих примесей, чем раса XII. При увеличении температуры брожения до 35 °С и повышении концентрации сбраживаемого сусла содержание летучих примесей, образованных дрожжами расы XII, возрастает на 40-60% по сравнению с расой 985-Т и 987-О.

Данный раздел статьи посвящен исследованию процесса сбраживания сусла, полученного из шелушеной ржи. Процесс получения сусла проводили по методу «холодного затирания» с принятыми измененными параметрами и применением на стадии замеса водного раствора янтарной кислоты концентрацией 0,01 % согласно данным [13].

Для сбраживания сусла использовали чистую культуру спиртовых дрож-

жей расы XII, на стадии культивирования которых применяли янтарную кислоту. Процесс сбраживания проводили при температуре 28.30 °С в течение 60-72 ч. Влияние изучаемых факторов на процесс сбраживания сусла на первом этапе контролировали по динамике выделения диоксида углерода с последующим уточнением по показателю концентрации спирта.

В качестве факторов, которые могли бы оказать влияние на процесс сбраживания сусла, полученного по разработанному способу «холодного затирания», выбраны: норма внесения ПС на стадии сбраживания, степень под-кисления сусла, норма внесения ГлС при замесе, норма задачи дрожжей. Интервалы варьирования изучаемых факторов приведены в табл. 1.

Норма дозировки протеолитического ферментного препарата

Получение сусла из шелушеной ржи по методу «холодного затирания», как и отмечалось ранее [14], характеризовалось повышенным пенообразованием, что могло быть связано с содержанием большого количества отдельных фракций белков. Поэтому в первую очередь были проведены эксперименты по выбору нормы внесения ферментного препарата протеолитического спектра действия Нейтразы 0,8 L на стадии сбраживания сусла. Норма внесения осахарива-ющего ферментного препарата в данной серии экспериментов — 4,0 ед. ГлС/г условного крахмала. Процесс сбраживания проводили при естественном рН сусла, норма задачи спиртовых дрожжей составляла 10 млн/см3 сусла.

Дополнительное внесение протео-литического ферментного препарата, обладающего эндопротеиназной активностью, позволяет снизить пенообразо-вание. Полученные данные также показали, что дозировка данного препарата в исследуемых значениях не влияет на процесс выделения СО2. Поэтому рекомендованная норма внесения ферментного препарата Нейтраза 0,8 L с эконо-

Таблица 1

Фактор Интервал варьирования параметра

Норма внесения ПС на стадии сбраживания, ед. ПС/г сырья 0,02-0,08

Степень подкисления сусла, ед. рН От 6,0-6,5 до 4,0-4,5

Норма внесения ГлС, ед. ГлС/г условного крахмала сырья 4,0-10,0

Норма задачи дрожжей, млн/см3 сусла 5-20

ТЕХНОЛОГИЯ

мической точки зрения принимается равной 0,02 ед. ПС/г сырья.

Все дальнейшие эксперименты проводили с дополнительным внесением ферментного препарата Нейтраза 0,8Ь на стадии сбраживания в выбранной норме дозировки.

Степень подкисления сусла

В качестве следующего варьируемого фактора, влияющего на процесс сбраживания сусла, на данном этапе работы была выбрана степень его подкисления. Проведение данных экспериментов основывалось на том, что оптимальный рН для ферментных препаратов осаха-ривающего действия, используемых в спиртовом производстве, находится на уровне 4,3-5,0, кроме того, подкисле-ние среды, как известно, улучшает ее микробиологическое состояние, что актуально при применении низкотемпературных схем получения сусла. Дополнительное подкисление сусла до уровней 4,0-4,5 и 5,0-5,5 проводили с использованием 1,0 н. раствора НС1. Данные по влиянию значения рН сусла на динамику выделения диоксида углерода при сбраживании приведены на рис. 1. Норма задачи дрожжей в данной серии экспериментов составляла 10 млн/см3 сусла, норма внесения осахаривающего ферментного препарата — 4,0 ед. ГлС/г условного крахмала.

Установлено, что подкисление среды до рН 4,0-5,0 позитивно влияет на процесс сбраживания, наблюдается повышение интенсивности брожения. Абсолютное значение выделившегося в течение 72 ч СО2 повышается в среднем на 0,8-0,9 г/100 см3 сусла. Исходя из полученных данных, оптимальным значением рН принимаем 5,0-5,5.

Норма дозировки осахаривающего препарата

Норма внесения осахаривающего ферментного препарата на стадии получения сусла из зернового сырья влияет на интенсивность последующего процесса сбраживания [8, 11]. Рекомендованная производителями норма внесения ферментных препаратов осахаривающего действия для схем с развариванием и механико-ферментативного способа составляет 6,5-7,5 ед. ГлС/г условного крахмала сырья. Получение сусла по разработанному режиму способа «холодного затирания» требовало уточнения данных норм. Задача дрожжей в данной серии экспериментов составляла 10 млн/см3 сусла. Сбраживание проводили при естественном рН сусла.

5 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 33

ТЕХНОЛОГИЯ'

8 7

I 6 "к

и 5

о о

Ч 4

о™ о

3

ш

? 2 са

1 0

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Продолжительность сбраживания, ч • рН 4,0-4,5 — рН 5,0-5,5 — рН 6,0-6,5

Рис. 1. Динамика выделения СО2 в зависимости от степени подкисления сусла

// / j

у.

Продолжительность сбраживания, ч « 5 млн в 10 млн в 15 млн в 20 млн

Рис. 2. Динамика выделения СО2 в зависимости от нормы внесения дрожжей

Сбраживание ржаного сусла при использовании осахаривающего ферментного препарата Глюкомил Л 706 с нормой внесения в интервале от 4,0 до 10,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья незначительно влияет на интенсивность сбраживания. Процесс осахари-вания сусла, полученного по низкотемпературному способу, осуществляется не только за счет действия микробных глюкоамилаз, как в классических схемах, но и за счет собственных ферментов зерна. С экономической точки зрения целесообразно принять норму внесения осахаривающего ферментного препарата, равную 4,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья.

Норма задачи спиртовых дрожжей

Известно, что увеличение нормы задачи спиртовых дрожжей интенсифицирует процесс сбраживания, особенно на первых этапах [15, 16]. Однако при повышенном внесении дрожжей возможно сверхнормативное накопление побочных продуктов брожения. Кроме того, для каждого вида сырья, способа его переработки рекомендуются оптимальные нормы задачи засевных дрожжей, которые в первую очередь зависят от расы дрожжей и особенностей биохимического состава сусла.

Классически рекомендованная норма задачи дрожжей составляет 10-12 млн клеток/см3 сусла. В экспериментах она варьировалась в интервалах от 5 до 20 млн клеток/см3 сусла (рис. 2).

Установлено, что норма задачи спиртовых дрожжей меньше рекомендуемой по Регламенту не позволяет полностью сбродить ржаное сусло, полученное по разработанному способу «холодного

затирания». Увеличение нормы задачи дрожжей до 15-20 млн/см3 сусла, напротив, позволяет завершить процесс сбраживания к 66 ч.

На завершающем этапе работы были получены и проанализированы по показателям содержания спирта образцы зрелой бражки контрольного и опытных образцов.

Контроль. Сусло, полученное по ме ха нико-ферментативному способу из зерна ржи (помол, характеризующийся 80-85%-ным проходом через сито d =1 мм, ферментные препараты: Термамил SC — 0,2 ед. АС/г и Глюкомил Л 706 — 6,5 ед. ГлС/г условного крахмала, гидромодуль — 1:4). Норма задачи спиртовых дрожжей составляла 10 млн/см3 сусла. Процесс сбраживания проводили в течение 72 ч.

Опыт. Сусло, полученное из ше-лушеной ржи по схеме «холодного затирания» в соответствии с разработанными режимами (помол, характеризующийся 100%-ным проходом

через сито d = 1 мм, ферментные препараты Термамил SC — 0,1 ед. АС/г и Глюкомил Л 706 — 4,0 ед. ГлС/ г условного крахмала; температурный режим: 1-я пауза при 45...50 °С — 2 ч, 2-я пауза — при 60...65 °С — 2 ч, гидромодуль — 1:4). Норма внесения ферментного препарата Нейтраза 0,8 L на стадии сбраживания составляла 0,02 ед. ПС/г сырья. Сусло подкисляли до значения рН 5,0-5,5. Норма задачи спиртовых дрожжей, используемых в виде чистой культуры (при культивировании применялась янтарная кислота), в зависимости от образца составляла 10; 15 и 20 млн/см3 сусла. Длительность сбраживания — от 60 до 72 ч.

Данные по влиянию нормы внесения спиртовых дрожжей и продолжительности сбраживания на крепость дистиллята (табл. 2) позволяют сделать следующие выводы: • крепость дистиллята опытных образцов по сравнению с контролем возрастает на 0,19-0,45 об. % (данный

Таблица 2

Крепость дистиллята, об. %

Время, ч Контроль Опыт Норма задачи дрожжей, млн/см3сусла

10 15 20

60 — 6,99 6,99 7,22

66 — 7,10 7,21 7,25

72 6,80 7,18 7,24 7,24

Таблица 3

Выход спирта, дал/т условного крахмала

Время, ч Контроль Опыт Норма задачи дрожжей, млн/см3 сусла

10 15 20

60 — 62,3 62,3 64,3

66 — 63,0 64,2 64,6

72 61,8 64,0 64,5 64,5

34 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2014

'ТЕХНОЛОГИЯ

факт связан в первую очередь с повышением крахмалистости сырья: массовая доля крахмала в исходной ржи составляла 54,93%, в шелуше-ной ржи — 56,10%);

• увеличение нормы задачи спиртовых дрожжей с 10 до 20 млн/см3 сусла в опытных образцах приводит к повышению крепости бражного дистиллята;

• максимальная крепость бражного дистиллята (7,25 об. %) соответствует пробе, в которой норма задачи спиртовых дрожжей составляла 20 млн/см3, а продолжительность сбраживания — 66 ч.

Расчет выхода спирта (табл. 3) показал, что разработанная низкотемпературная технология этанола из ржи, основанная на использовании шелуше-ного зерна, переработанного по способу «холодного затирания», с применением янтарной кислоты на стадии получения сусла и культивирования дрожжей, приводит к повышению выхода спирта из 1 т условного крахмала, что связано, во-первых, с использованием более мелкого и равномерного помола; во-вторых, с выводом из технологического процесса части компонентов зерна (отдельные группы гемицеллюлоз и белков), ухудшающих процесс получения и сбраживания сусла; в-третьих, с практически полным сохранением всех сбраживающих углеводов ввиду низкотемпературной обработки сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Крикунова, Л. Н. Сравнительная характеристика микробиологического состояния сы-

рья и полупродуктов спиртового производства при дифференцированной переработке зерна / Л. Н. Крикунова, Е. М. Максимова, Т. В. Пичугина // Известия вузов. Пищевая технология. — 2002. — № 2-3. — С. 12-14.

2. Крикунова, Л. Н. ИК-обработка зерна — перспективный способ повышения микробиологической чистоты сырья / Л. Н. Крикунова // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2006. — № 3. — С. 31-34.

3. Глубокая очистка зерна от примесей при низкотемпературной обработке сырья / О.С. Жур-ба [и др.] // Производство спирта и ликерово-дочных изделий. — 2003. — № 3. — С. 8-10.

4. Крикунова, Л. Н. Сравнительная характеристика методов оценки прочностных свойств зерна/Л. Н. Крикунова//Хранение и переработка сельхозсырья. — 2007. — №4. — С. 48-52.

5. Влияние шелушения на параметры процесса его измельчения / О. С. Журба [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2012. — № 8. — С. 18-23.

6. Сумина, Л. И. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть I. Подбор мультэнзимной композиции / Л. И. Сумина, Л. Н. Крикунова // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2009. — № 2. — С. 51-54.

7. Интенсификация спиртового производства на основе использования мультэнзимных систем / Л. В. Римарева [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2004. — № 2. — С. 26-28.

8. Сергиенко, Н. Н. Зависимость качества спирта от дозировок осахаривающего материала / Н. Н. Сергиенко, М. К. Бригаденко // Пиво и напитки. — 1999. — № 2. — С. 61-63.

9. Крикунова, Л.Н. Низкотемпературный способ получения ржаного сусла/Л. Н. Крикунова,

С.М. Рябова//Производство спирта и ликеро-водочныхизделий. — 2011. — № 2. — С. 14-16.

10. Рябова, С. М. Ресурсосберегающий способ переработки ржи в спиртовой отрасли / С. М. Рябова // Производство спирта и ли-кероводочных изделий. — 2013. — № 4.

11. Поляков, В.А Перспективные биотехнологические процессы для спиртовой промышленности / В.А. Поляков, Л. В. Римарева, Г Б. Ксан-допуло // Производство спирта и ликерово-дочных изделий. — 2002. — № 1. — С. 6-8.

12. Римарева, Л. В. Новые расы дрожжей для повышения эффективности спиртового производства/Л. В. Римарева//Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2000. — № 1. — С. 18-20.

13. Крикунова, Л. Н. Разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с использованием янтарной кислоты. Часть I. Стадия получения сусла / Л.Н. Крикунова, С. М. Рябова, В. Г. Костенко // Пиво и напитки. — 2014. — № 4. — С. 26-28.

14. Шахтимир, Э. Л. Применение способов холодного затирания на спиртовых заводах ФРГ и ГДР / Э. Л. Шахтимир, Э. Я. Перова // Ферментная и спиртовая промышленность. — 1983. — № 7. — С. 44-47.

15. Крикунова, Л. Н. Режимы и технологические параметры получения и сбраживания осахаренного сусла из ИК-обработанного зерна пшеницы. Часть II. Стадия сбраживания сусла / Л. Н. Крикунова, О. С. Стребко-ва, М. В. Гернет // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2008. — № 2. — С. 44-47.

16. Сидякин, М. Э. Технология этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства. Часть 2. Сбраживание сусла / М. Э. Сидякин, Л. Н. Крикунова // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2012. — № 1. — С. 54-57. &

Разработка высокоэффективной технологии этанола из ржи с использованием янтарной кислоты. Часть II. Стадия сбраживания сусла

Ключевые слова

летучие примеси; параметры процесса сбраживания; накопление спирта. Реферат

Описывается влияние ряда факторов на процесс сбраживания сусла, полученного из шелушеной ржи с использованием чистой культуры спиртовых дрожжей XII расы. В качестве факторов выделены норма дозировки протеолити-ческого ферментного препарата, степень подкисления сусла, норма дозировки осахаривающего препарата и норма задачи спиртовых дрожжей. Установлены оптимальные параметры проведения процесса сбраживания, позволяющие повысить выход спирта и снизить содержание летучих примесей в бражке.

Авторы

Рябова Светлана Михайловна, канд. техн. наук;

Лазарева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук;

Семененко Николай Тихонович, д-р техн. наук, доцент

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности,

119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, institute@vniinapitkov.ru

Development of High Technology of Ethanol from Rye Using Succinic Acid. Part II. Worst Fermentation Stage

Key words

volatiles; fermentation process parameters; accumulation of alcohol. Abstract

This paper describes the influence of some factors on the process of fermentation of wort obtained from hulled rye using a pure culture of yeast alcohol XII race. As factors were identified dosage rate proteolytic enzyme preparation, the degree of acidification of the wort, saccharifying drug dosage rate and the rate of problem alcohol yeast. According to the study, the optimal parameters of the fermentation process, allowing to increase the yield and reduce the alcohol content of volatile impurities in the mash.

Authors

Ryabova Svetlana Mihailovna, Candidate of Technical Science;

Lazareva Irina Valerievna, Candidate of Technical Science;

Semenenco Nikolay Tihonovich, Doctor of Technical Science, Associate Professor

All-Russian Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industries,

7 Rossolimo St., Moscow, 119021, Russia, institute@vniinapitkov.ru

5 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 35