На правах рукописи
Моисеенко Михаил Владимирович
Роль минерального состава воды в
технологии производства зернового сусла
Специальность 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов
и биологических активных веществ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Карпиленко Геннадий Петрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Траубенберг Светлана Евгеньевна
кандидат технических наук
Дячкина Алла Борисовна
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский
государственный университет
технологий и управления»
Защита состоится «___» декабря 2011 года в ___ч., ауд. _____ на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУПП».
Автореферат разослан «____» ноября 2011г.
Ученый секретарь
Совета Д 212.148.04,
кандидат технических наук Тимофеев Д.В.
Автореферат отправлен по адресу referat_vak@mon.gov.ru для размещения в сети Интернет Министерством образования и науки РФ и размещен на сайте www.mgupp.ru.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из основных этапов спиртового производства, определяющих технико-экономические показатели завода, выход и качество конечного продукта, является процесс получения зернового сусла. Эффективность данной стадии зависит от глубины и направленности протекания биохимических процессов в сырье, в качестве которого на отечественных спиртовых заводах в последнее время используют преимущественно пшеницу, рожь, реже ячмень. Данные виды сырья относятся к крахмалсодержащему. В них в количественном отношении преобладает полимер глюкозы – крахмал, находящийся в сырье в виде крахмальных гранул. Известно, что нативный нерастворимый крахмал в очень небольшой степени может подвергаться деполимеризации, поэтому в технологии этанола при переработке крахмалсодержащего сырья проводят процесс водно-тепловой и ферментативной обработки смеси, состоящей из размолотого зерна и воды. При этом гидролиз полимеров зерна осуществляется в процессе получения сусла под действием эндогенных и микробных амилаз, протеаз и других ферментов. Известно, что активность отдельных ферментов определяется целым рядом факторов. Существенную роль на процесс деструкции основных компонентов зерна может оказать и минеральный состав технологической воды. Исследований по влиянию последнего фактора на процесс получения зернового сусла для спиртовой отрасли до последнего времени не проводилось.
Вместе с тем, в других отраслях, к примеру, в пивоварении установлены оптимальные концентрации отдельных макро- и микроэлементов в среде, позволяющие интенсифицировать процесс, сократить расход сырья и повысить качество конечного продукта. Однако данные исследования не учитывают специфики спиртового производства, в частности особенностей биохимического состава используемого сырья, изменений в нем в ходе переработки, а также характеристик применяемых в отрасли ферментных препаратов амилолитического и протеолитического действия.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение влияния минерального состава технологической воды на процесс получения зернового сусла и разработка на основе полученных новых научных данных рекомендаций по повышению эффективности процесса для Ардымского спиртового завода.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
– изучить влияние ионов Ca2+ и Mg2+ содержащихся в технологической воде на активность микробных и зерновых амилаз при использовании стандартного и зернового субстратов;
– исследовать реологическое поведение замесов в зависимости от концентрации ионов Ca2+ и Mg2+ в воде;
– изучить влияние катионов на активность микробных и зерновых протеаз;
– определить минеральный состав основного сырья спиртовой отрасли, на основании которого выявить различия по видам зерна (пшеница, рожь, ячмень);
– провести оценку показателей качества образцов воды, в том числе по содержанию в ней основных катионов;
– исследовать процесс получения зернового сусла с применением разных по минеральному составу образцов технологической воды;
– выполнить анализ образцов технологической воды, используемой в производстве этанола на Ардымском спиртовом заводе в соответствии с СаНПиН 2.1.4 1074-01 Питьевая вода. Контроль качества.
– обосновать выбор основных направлений исследований по изучению процесса повышения эффективности получения осахаренного сусла на предприятии;
– разработать рекомендации по повышению эффективности процесса получения сусла на Ардымском спиртовом заводе;
– апробировать процесс в условиях промышленного производства и рассчитать экономическую эффективность от внедрения данных рекомендаций.
Научная новизна. На основании модельных опытов выявлено влияние ионов Ca2+ и Mg2+, содержащихся в воде, на амилолитическую способность мезофильных (Ликвамил 1200 и БАН 480L) и термостабильных (Амилаза HT 4000 и Термамил 120L) ферментных препаратов при действии на стандартный и зерновой субстраты.
Впервые выявлена взаимосвязь между степенью гидролиза крахмала сырья под действием микробных и зерновых амилаз и концентрацией ионов Ca2+ и Mg2+ в воде, а также вариантом получения замеса (гидромодулем сырье : вода).
Получены новые научные данные о реологическом поведении замесов в зависимости от концентрации ионов Ca2+ и Mg2+ в воде с использованием прибора «Амилотест АТ – 97» по показателю “Число падения”.
Изучено влияние ионов Ca+2, Mg+2, Mn+2 и Zn+2, содержащихся в воде, на протеолитическуцю активность ферментных препаратов бактериального (Максазим NNP и Алкалаза 2.4 L FG) и грибного (Протеаза GC–106 и Дистицим Протацид Экстра) происхождения, а также протеаз пшеницы, ржи и ячменя при изучении их действия на стандартном и зерновом субстратах.
Научно обоснованы различия во фракционном составе белков осахаренного сусла в зависимости от вида сырья и минерального состава технологической воды.
Впервые с использованием метода атомно-абсорбционной спектрофотометрии изучен минеральный состав водной фракции зольных элементов пшеницы, ржи и ячменя, позволяющий оценить влияние вида сырья на содержание отдельных ионов в замесе.
Выявлена корреляционная зависимость между минеральным составом технологической воды и основными показателями качества осахаренного сусла при использовании основных видов сырья: пшеница, рожь, ячмень.
Практическая значимость. Определены оптимальные концентрации основных катионов в технологической воде, при которых активность широко применяемых в спиртовой отрасли ферментных препаратов амилолитического и протеолитического действия зарубежного производства возрастает в среднем на 20–30%, что позволяет, во-первых, целенаправленно их выбирать из предлагаемого спектра; во-вторых, сокращать их расход.
Разработаны и утверждены в МГУПП рекомендации по повышению эффективности получения осахаренного сусла на Ардымском спиртовом заводе, учитывающие характеристики используемого сырья и технологической воды.
Проведена опытно-промышленная проверка предложенных рекомендаций, на основании которой специалистами Ардымского спиртового завода рассчитана условно-годовая экономия от снижения себестоимости продукции, которая при мощности завода 3000 дал/сут. составила 35 млн. рублей (акт прилагается).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференции «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов» (Москва, 2010г.); на ХI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань 2010г.); на III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово 2010г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 публикациях, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников из 174 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 147 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков и 47 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1 Обзор литературы
В обзоре литературы приведены данные о современных тенденциях развития отечественной спиртовой отрасли; дана характеристика углеводного комплекса зерна пшеницы, ржи, ячменя и приведены данные о физико-химических свойствах и структурных особенностей белков этих зерновых культур. Даны современные обобщающие материалы по характеристике ферментных препаратов амилолитического и протеолитического действия, используемых в технологии этанола из зерна. Представлены сведения о классификации природных вод и влиянии минерального состава технологической воды на биохимические процессы при переработке зерна в бродильных производствах.
2 Экспериментальная часть
2.1 Материалы и методы исследования
Объектом исследования являлось зерно пшеницы, ржи и ячменя урожаев 2009-2011 гг., поступившее в производство на спиртовые заводы России, а также образцы воды, полученные, в том числе с Ардымского спиртового завода.
В работе применяли ферментные препараты зарубежного производства «Ликвамил 1200, «БАН 480L», «Амилаза HT 4000, «Термамил 120L», «Термамил SC», «Амил ЛН 608», «Глюкомил Л706», «Конверзим АМГ 300», «Максазим NNP», «Алкалаза 2.4 L FG», «Дистицим Протацид Экстра», «Протеаза GC–106».
Анализ показателей качества зерна проводили с использованием основных общепринятых биохимических методов исследований.
Минеральный состав пшеницы, ржи и ячменя определяли по методу пламенной атомной абсорбции.
При анализе образцов воды использовали методы определения общей жесткости, щелочности, перманганатной окисляемости, мутности по формазину, а также метод капиллярного электрофореза для определения отдельных ионов.
Активность микробных и зерновых амилаз определяли колориметрическим методом, протеаз – по методу Ансона.
Оценку реологического поведения замесов осуществляли с использованием прибора «АМИЛОТЕСТ АТ-97(ЧП-ТА)» по показателю «Число падения».
Анализ осахаренного сусла спиртового производства проводили с применением общепринятых методов в отрасли.
2.2 Результаты исследований и их обсуждение
Влияние ионов Ca2+ и Mg2+ на активность микробных и
зерновых амилаз
Исследование микробных и зерновых амилаз с использованием стандартного
субстрата
В работе использовали четыре ферментных препарата, промышленно применяемых на отечественных спиртовых заводах с целью снижения вязкости сред при переработке зерна. Из них препараты Ликвамил 1200 и БАН 480L относятся к мезофильным, а Амилаза HT 4000 и Термамил 120L – к термостабильным.
В качестве стандартного субстрата использовали 1%-ный раствор крахмала. При изучении влияния концентрации ионов Ca2+ (внесение CaCl2), в пределах 7-35 мг в 1 л воды выявлено, что амилолитическая активность всех исследуемых ферментных препаратов практически не изменяется по сравнению с контролем (дистиллированная вода). При концентрации ионов Са2+ 70-560 мг/л активность микробных амилаз снижается в среднем на 15-50%. В меньшей степени теряют свою активность такие ферментные препараты как БАН 480L и Ликвамил 1200 (таблица 1).
Таблица 1 – Влияние ионов Ca2+ на амилолитическую способность
ферментных препаратов
Ферментный
Препарат
|
АС ед/см3 при концентрации ионов Са2+, мг/л
|
0
|
560
|
280
|
140
|
70
|
35
|
7
|
Мезофильные
|
Ликвамил 1200
|
2800
|
2240
|
2380
|
2380
|
2520
|
2800
|
2800
|
БАН 480L
|
3000
|
2400
|
2550
|
2550
|
2700
|
3000
|
3000
|
Термостабильные
|
Амилаза НТ 4000
|
700
|
400
|
490
|
490
|
650
|
700
|
700
|
Термамил 120L
|
550
|
230
|
260
|
320
|
400
|
550
|
540
| |
