Производство спирта

Чем меньше крупка, тем быстрее  вода достигает крахмальных гранул, и, следовательно, набухание, клейстеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости происходит быстрее и при более низкой температуре. При механико-ферментативной обработке, т.е. при нагреве измельченного сырья с одновременной обработкой α-амилазой, процесс еще больше ускоряется и, кроме того, параллельно идет интенсивный гидролиз крахмала до декстринов и сахаров, что способствует еще лучшей подготовке сырья к дальнейшему осахариванию и сбраживанию.

Максимум вязкости соответствует  температуре клейстеризации, которая зависит от гидромодуля замеса. Чем меньше гидромодуль, тем выше концентрация крахмала в замесе, тем плотнее структура крахмальной сетки при клейстеризации. Однако применение ферментных препаратов позволяет сдвинуть пик максимальной вязкости в сторону уменьшения температур.

За счёт тонкого помола зерна при невысокой температуре  обработки создаются благоприятные  условия для активного действия как собственных, так и вносимых ферментов. Таким образом, при использовании  технологии высококонцентрированного сусла важно получить тонкий и  равномерный помол для повышения  эффективности применения ферментных препаратов.

Таким образом, очевидно, что механическая обработка  сырья (диспергирование) является обязательным условием для эффективного применения экономичных и малоэнергоемких способов водно-тепловой обработки. Все они требуют определенной степени измельчения зерна. При этом желательной является также и равномерность помола, т.к. в случае его высокой гетерогенности повышаются потери сбраживаемых углеводов. Во многом именно степень измельчения определяет используемый способ водно-тепловой обработки. При низкотемпературной схеме обработки зернового сырья помол должен быть мелкодисперсным для обеспечения достаточной полноты растворения крахмала. Также растворение крахмала происходит лучше в случае, если он уже прошел стадию клейстеризации до стадии водно-тепловой обработки.

 

1.2 Ферментные препараты, применяемые в процессе водно-тепловой обработки замесов

 

В настоящее время ферментные препараты стали мощным средством  трансформации практически любых  продуктов. Их применение позволяет  значительно повысить глубину переработки  пищевого сырья за счёт частичной  модификации, приводящей к модификации  периферийных частей зерна [4].

Ферменты представляют собой  специфические катализаторы белковой природы. Как и неорганические катализаторы, они изменяют (обычно увеличивают) скорость только таких химических реакций, самопроизвольное протекание которых термодинамически возможно, т.е. реакций с уменьшением свободной энергии. Влияя на скорость, ферменты не «расходуются» - не входят в состав конечных продуктов реакции.

Продуцентами ферментов  могут быть бактерии, грибы, дрожжи и актиномицеты. Для промышленного  получения ферментных препаратов используют как природные штаммы микроорганизмов, выделенные из естественных сред, так  и мутантные, отселекционированные в результате воздействия на природные штаммы физических и химических мутагенов [1].

В спиртовом производстве используются следующие группы ферментов:

- ферменты амилолитического действия (гидролиз крахмала: это альфа-амилаза, глюкозидаза (гидролиз до моносахаридов) и пуллуланаза, гидролизующая α-1,6-связи в декстринах).

- ферменты целлюлолитического действия (гидролиз некрахмалистых полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и оболочек зерна – это целлюлазы, гемицеллюлазы, бета-глюканазы, ксиланазы и пр.).

- ферменты протеолитического  действия (гидролиз пептидных связей  белка).

Все эти ферменты относятся  к классу гидролаз. Для их действия необходима вода.

Амилолитические ферменты содержатся во многих высших растениях, но наиболее богато ими пророщенное в определённых условиях зерно растений семейства мятликовых (злаков), называемое солодом. Способность солода осахаривать крахмал известна с древнейших времён. Также давно известно свойство микроскопических грибов осахаривать крахмал. Главным критерием оценки любого амилолитического препарата, рекомендуемого для применения в технологии спиртового производства, служит способность комплекса быстро и полно гидролизовать крахмал до сбраживаемых углеводов. Важная роль в этом процессе отводится таким амилолитическим ферментам, как α-амилаза и глюкоамилаза.

Роль α-амилазы в спиртовом производстве заключается в быстром разжижении крахмала на стадии водно-тепловой обработки сырья, а также на первой стадии осахаривания, декстринизации и накопления сахаров, что делает сусло более подвижным и подготовленным к действию других ферментов, в частности глюкоамилазы.

Фермент глюкоамилаза, входящая в состав ферментных препаратов различного происхождения, обладая общими свойствами, отличается при этом некоторыми индивидуальными особенностями. Важное свойство глюкоамилаз – их способность гидролизовать α-1,4-; α-1,6-и даже α-1,3- связи с отщеплением глюкозы, что ставит этот фермент на первое место по эффективности гидролиза крахмала с целью дальнейшего сбраживания образовавшихся сахаров. В связи с этим применение культур микроорганизмов, продуцирующих активную глюкоамилазу для замены солода в спиртовом производстве, имеет большое практическое значение [7].

В состав сухих веществ  зерна злаковых культур, применяемых  при получении спирта, наряду с  крахмалом входят полисахариды другой природы - это β-глюканы, целлюлоза, гемицеллюлоза и другие, которые получили название некрахмалистые полисахариды.

Целлюлоза зерна представляет собой сложный полимер глюкозы, что делает основание рассматривать  ее как важный источник получения  дополнительного количества углеводов, сбраживаемых спиртовыми дрожжами. В основе строения гемицеллюлоз лежат линейные цепи из глюкозы, к которым примыкают боковые цепочки β-глюкана, ксилозы и арабинозы. От растворимых гумми-веществ гемицеллюлоза отличается нерастворимостью в воде и величиной молекулы.

Ферментные препараты, содержащие целлюлазы (эндоглюканазы, целлобиогидролазы, β-глюкозидазы), β-глюканазы и ксиланазы, необходимы для гидролиза некрахмалистых полисахаридов, таких как целлюлоза, что позволит получить дополнительный источник сбраживаемых углеводов, а воздействуя на растворимую фракцию гемицеллюлоз - снизить вязкость замесов. Ферменты, гидролизующие некрахмалистые полисахариды, играют значительную роль в производстве спирта из крахмалсодержащего сырья, так как они способны интенсифицировать процесс его расщепления. Они осуществляют гидролиз клеточных стенок и оболочек сырья, что улучшает доступ амилолитических ферментов к крахмалу и повышает степень его использования. В целом такие ферменты относятся к классу карбогидраз.

Для повышения содержания аминного азота в сусле на стадии осахаривания вносят нейтральную протеазу. Обогащение сусла легко ассимилируемыми компонентами азотистого питания позволяет дрожжам размножаться интенсивнее. При этом повышается не только плотность дрожжевой популяции, но и бродильная активность. Это связано с обогащением сусла легко ассимилируемыми компонентами азотистого питания, которые используются дрожжевыми клетками непосредственно для построения биомассы. Прямая ассимиляция аминокислот не только обеспечивает интенсификацию синтеза белка, но и активирует содержащиеся в дрожжевой клетке ферменты, что обусловливает интенсификацию развития и размножения дрожжей.

Культуры микроскопических грибов или ферментные препараты  применяют в спиртовой и других отраслях промышленности большинства  зарубежных стран [8].

Ферментные препараты, применяемые  в спиртовой промышленности, представляют собой либо нативные неочищенные глубинные или высушенные поверхностные культуры микроорганизмов, либо неочищенные концентрированные препараты. Возможность использования неочищенных препаратов объясняется тем, что в конечный продукт – спирт – не попадают взвешенные высокомолекулярные и нелетучие примеси, присутствующие в культурах микроорганизмов. Все составные части практически остаются в барде [7].

Культуры микроскопических грибов имеют ряд преимуществ  по сравнению с солодом. Их выращивают на пшеничных отрубях или в  составе питательной среды используют обычную кукурузную муку, в то время  как для приготовления солода расходуется 14-20% кондиционного (96% прорастаемости) зерна в расчёте на массу крахмала сырья. При солодоращении теряется 16-18% крахмала, часть крахмала солода в процессе производства целевого продукта остаётся неосахаренной и, следовательно, не сбраживается. Кроме того с солодом вносят посторонние микроорганизмы, вследствие чего в большей мере протекают и другие виды брожения, отрицательно отражающиеся на выходе спирта [8].

Ферментные препараты, которые  применяют в спиртовом производстве в неочищенном виде, часто бывают комплексными, т.е. содержат более одного фермента. Применение такого препарата  для осуществления специфического процесса, катализируемого одним  ферментом, неизбежно сопровождается действием других сопутствующих  ферментов. Комплексность неочищенных  ферментных препаратов объясняется  тем, что микроорганизмы-продуценты часто синтезируют не один, а несколько  ферментов.

Широкий интерес представляют термостабильные ферментные препараты, т.к. они способны вести гидролиз сырья при высоких температурах (90-105 °С). При этом совмещаются 2 процесса – клейстеризация крахмала и его гидролиз. Значительно снижается стоимость процесса за счёт сокращения дозировки фермента и продолжительности процесса гидролиза крахмала. Обеспечивается высокая степень расщепления крахмала, и как следствие этого увеличение выхода целевого продукта [9].

Таким образом, с помощью  ферментных препаратов можно влиять на все технологические параметры  водно-тепловой обработки замесов: снижать температуру и продолжительность  обработки, а также понижать гидромодуль  замесов.

 

 

1.3 Применение ультразвука в отраслях пищевой промышленности

 

Рядом исследований установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворение веществ, активизировать реакции, интенсифицировать технологические процессы. Воздействие ультразвуковых колебаний на физико-химические процессы в пищевой промышленности дает возможность повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать новые продукты с новыми потребительскими свойствами  [10].

Наиболее перспективным  и достаточно освоенным использованием ультразвуковых технологий являются следующие  технологические процессы:

- приготовление пищевых  водных и водо-жировых эмульсий  в мясомолочной, кондитерской, пищевкусовой  отраслях промышленности, при изготовлении  колбас, молочных продуктов, соков  и т.д.;

- низкотемпературная обработка  продуктов с целью «мягкой»  варки;

диспергирование, гомогенизация  и пастеризация сырья, полуфабрикатов и продуктов;

- биологическая активизация  пищевых продуктов с целью  улучшения потребительских и  лечебно-биологических свойств;

- гидрогенизация жиров,  осветление растительных масел;

- мгновенная варка водомучных суспензий в хлебопекарных и спиртовых технологиях;

- подавление микробиологических  процессов в диффузионных аппаратах  при производстве сахара за  счет ультразвука;

- интенсификация диффузионного  процесса в диффузионных аппаратах  при производстве сахара за  счет ультразвука;

- очистка диффузионного  сахарного сока;

- осаждение винно-кислых солей, содержащихся в вине;

- обеззараживание воды.

Использование ультразвуковых технологий в пищевой промышленности не ограничивается приведенными примерами.

С помощью разработанного аппарата для спиртового производства была осуществлена в промышленном объеме мгновенная варка водо-мучной суспензии  с целью извлечения крахмала в  проточном режиме. В ультразвуковой генератор под давлением 3-4 атм подавалась суспензия и пар, на выходе получалась готовая суспензия с температурой 80-95 °С с выделенным крахмалом. Микробиологический анализ показал отсутствие микрофлоры. Опыт использования ультразвуковой варки дает основания считать возможным распространение его и на другие процессы спиртового производства – осахаривание, активизацию бражки, коагуляцию барды, ректификацию и т.д. Таким образом, использование ультразвуковых аппаратов в тепломассоэнергообменных процессах спиртового производства позволяет надеяться на радикальные изменения технологии водно-тепловой обработки зерна [10].

В аналогичном аппарате была осуществлена холодная пастеризация и  гомогенизация молока. При дроблении  жировых шариков молока за счет ультразвука  повышается его питательная ценность. При достаточной плотности ультразвука  происходит стерилизация молока. В  отличии от стерилизации и кипячения при ультразвуковой обработке молока не происходит разрушение витамина С.

При использовании пара в  газоструйном генераторе температура  обработанного молока на выходе существенно  ниже, чем при стерилизации, при  этом, за счет ультразвукового газоструйного  процесса достигается необходимая  акустическая мощность.

Применение ультразвуковой технологии принципиально упрощает технологию получения альбуминных  белков.

Таким образом, использование  ультразвуковых технологий в различных  пищевых производствах позволяет:

- во много раз увеличить  скорость физико-химических процессов; снизить энерго- и ресурсозатраты;

- интенсифицировать процессы  тепломассоэнергообмена;

- радикально изменить  аппаратурные оформления техпроцессов  в сторону уменьшения металлоемкости  и совмещения нескольких операций;