Производство спирта

 

Рисунок 1 - Влияние продолжительности  теплового воздействия на активность α-амилазы зерна с добавкой ионов кальция

 

Рисунок 2 - Влияние продолжительности  теплового воздействия на активность β-амилазы зерна с добавкой ионов кальция

 

Рисунок 3 - Влияние продолжительности  теплового воздействия на протеолитическую активность ферментов зерна с добавками ионов кальция

 

Следовательно, увеличение активности ферментов зерна объясняется  не только действием нагревания в  процессе тепловой обработки, но и концентрацией ионов кальция.    

 

2.3 Исследование влияния добавки солей кальция  на активность ферментов зерна  при ультразвуковом воздействии

 

Как и при тепловой обработке, одним из основных факторов, влияющих на эффект действия ультразвука, является продолжительность обработки. Для  изучения продолжительности действия ультразвука на активность ферментов  зерна ультразвуковой обработке  подвергали замес. В процессе обработки  контролировали изменение температуры  и активности ферментов зерна.

Обработку начинали проводить  при температуре 20 °С. В процессе ультразвукового воздействия замес нагревался за 1 мин на 1-1,2 °С.  
С увеличением продолжительности ультразвуковой обработки активности α-амилазы (рисунок 4) и β-амилазы (рисунок 5) и протеолитическая активность (рисунок 6) возрастали и достигали максимального значения в течение 40-70 мин, 30-50 мин и 20-35 мин соответственно. Температура замеса при этом достигала 68-92 °С, 55-75 °С и 45-55 °С соответственно. При дальнейшей обработке ультразвуком активности ферментов зерна снижались.

 

Рисунок 4 - Влияние продолжительности  ультразвукового воздействия на активность α-амилазы зерна с добавками ионов кальция

 

Рисунок 5 - Влияние продолжительности  ультразвукового воздействия на активность β-амилазы зерна с добавками ионов кальция

 

Рисунок 6 - Влияние продолжительности  ультразвукового воздействия на протеолитическую активность ферментов  зерна с добавкой ионов кальция

 

Как и в случае тепловой обработки, добавка ионов кальция  стимулирует амилолитическую и протеолитическую активность зерна.

   

2.4 Разработка способа интенсификации процесса водно-тепловой обработки пшеницы с использованием непрерывного воздействия ультразвука на разваренную массу и добавкой ионов кальция в концентрации 0,1%

 

Для дальнейшего сокращения продолжительности процесса получения  сусла ультразвуковую обработку  разваренной массы проводили  в непрерывном режиме с использованием термостабильной амилазы. Для приготовления  образца замес с добавкой 0,1% ионов кальция помещали в ультразвуковую установку и доводили температуру массы до 90-95 ⁰С в течение 45 мин, затем понижали температуру и проводили осахаривание.

Максимальное содержание РС наблюдали при обработке ультразвуком в течение 45 мин (рисунок 7). Содержание сахаров в опытном варианте на 76-78 % выше, чем в контроле. При дальнейшей обработке массы ультразвуком содержание РС оставалось неизменным.

 

Рисунок 7 - Динамика накопления РС в процессе непрерывной ультразвуковой обработки разваренной массы

 

Содержание моно-, дисахаров в сусле, полученном при непрерывном режиме ультразвуковой обработки массы в течение 45 мин, увеличилось на 12-13% по сравнению с контролем – тепловой обработкой (рисунок 8). Содержание амилодекстринов в опытном варианте на 32-34 % меньше, чем в контроле.

Рисунок 8 – Влияние ультразвуковой обработки разваренной массы в непрерывном режиме на накопление продуктов гидролиза крахмала (% от СВ сусла)

 

Общая продолжительность  приготовления сусла составила 1 ч 25 мин, что на 2 ч меньше, чем в  контроле (рисунок 9).

 

Рисунок 9 - Схема процесса приготовления сусла при обработке разваренной массы ультразвуком в непрерывном режиме

 

Дальнейшие исследования были направлены на уменьшение дозы внесения ферментного препарата. Для определения  изменения количества РС в зависимости  от дозы внесения ФП с использованием УЗ в процессе водно-тепловой обработки  сырья готовили сусло по выше описанному способу. Дозу внесения ФП изменяли в  интервале от 0 до 1,5 ед. АС/г условного крахмала.

 Ультразвуковая обработка  разваренной массы с добавкой 0,1% ионов кальция и с дозой внесения ФП 0,4 ед.АС/г условного крахмала позволила получить сусло с содержанием РС, равным контролю (рисунок 10).

 

Рисунок 10 – Изменение количества РС в зависимости от дозы внесения ФП при УЗ обработке разваренной массы

 

При дозе ФП свыше 0,8 ед.АС/г условного крахмала  содержание РС практически не увеличивалось. Аналогичные изменения происходили при определении содержания аминного азота в сусле (рисунок 11).

 

Рисунок 11 – Изменение количества аминного азота в зависимости от дозы внесения ФП при УЗ обработке разваренной массы

 

Аминокислоты необходимы как азотистый субстрат в процессе размножения дрожжей, для синтеза  белка и ферментных систем. Действие ультразвука позволило увеличить  в сусле содержание пролина, аланина, аспарагиновой кислоты, лизина, треонина, глутаминовой кислоты (рисунок 12) [12].

Ультразвуковая обработка  массы позволила сохранить содержание витаминов, входящих в состав каталитических систем, участвующих в азотистом  обмене и синтезе нуклеотидов (таблица 14).

 

Таблица 14  - Влияние ультразвуковой обработки массы в непрерывном режиме на содержание витаминов

Наименование витамина	Содержание, мг/100 см3
	контроль	опыт
1	2	3
Тиамин	0,38	0,36
Биотин	0,09	0,08
Рибофлавин	0,26	0,26
Пантотеновая  кислота	0,08	0,08
Никотиновая кислота	5,1	5,12

 

На основании проведенного исследования установлено, что непрерывный  режим ультразвукового воздействия  позволил улучшить качество сусла по сравнению с контролем и предыдущими  вариантами, интенсифицировать процесс  получения сусла на 2 ч, снизить  дозу внесения ферментного препарата  на 49 %.

Дальнейшие исследования проводили по выбранному способу водно-тепловой обработки зерна – ультразвуковое воздействие+добавка 0,1% ионов кальция.

Рисунок 12 – Влияние ультразвуковой обработки массы на аминокислотный состав сусла

 

2.5 Изучение влияния степени помола пшеницы на физико-химические показатели сусла при ультразвуковой обработке разваренной массы с добавкой ионов кальция

 

Водно-тепловая обработка  сырья при пониженных температурах предусматривает использование  мелкого и равномерного помола, усложняющего технологический процесс. При механико-ферментативной схеме для увеличения содержания сахаров используют помол 90 - 95 % прохода  через сито с d_отв = 1 мм. Увеличение степени помола в свою очередь приводит к дополнительным энергозатратам. Поэтому дальнейшее исследование было направлено на снижение степени помола пшеницы за счет ультразвуковой обработки разваренной массы.

Для исследования использовали помол пшеницы от 100 до 45 % прохода  через сито с d_отв = 1 мм.

Рисунок 15 – Степени помола пшеницы на содержание РС в сусле  при УЗ обработке разваренной массы и добавке ионов кальция

 

Содержание редуцирующих сахаров в контроле со степенью помола 100 % соответствует опытному варианту со степенью помола 50-55 %. При снижении степени помола от 100 до 65 % в процессе ультразвуковой обработки количество сахаров оставалось неизменным (рисунок 15).  Аналогичные изменения происходили  при определении содержания аминного азота (рисунок 16) [12].

 

 

 

Рисунок 16 – Влияние степени  помола пшеницы на содержание аминного азота в сусле при УЗ обработке разваренной массы и добавке ионов кальция

 

Таким образом, ультразвуковая обработка массы позволила снизить  степень помола пшеницы до 65 % прохода  через сито с d_отв = 1 мм.

 

2.6 Исследование влияния ультразвуковой обработки разваренной массы и добавки ионов кальция на контаминацию сусла

 

Развитие посторонних  микроорганизмов на любом этапе  переработки зерна приводит к  снижению содержания сбраживаемых веществ в сусле и, как следствие, уменьшению выхода спирта и ухудшению его физико-химических и органолептических показателей [1].

Дальнейшее исследование проводили с целью изучения влияния  ультразвуковой обработки разваренной  массы на контаминацию сусла.

 

Рисунок 17 – Динамика гибели микроорганизмов при ультразвуковом воздействия

 

Под действием ультразвука  в первую очередь погибали мицелиальные грибы, затем бактерии палочковидной формы, кокки и только потом спорообразующие бактерии (рисунок 17). Разрушительное действие  ультразвуковых волн определяется, по-видимому, механическими силами, связанными с образованием и захлопыванием кавитационных пузырьков. При ультразвуковой обработке массы содержание спорообразующих бактерий уменьшилось на 95 % по сравнению с контролем (рисунок 18). Общее содержание микроорганизмов уменьшилось на 98- 99 % [13].

 

Рисунок 18 - Содержание микроорганизмов (КОЕ/см³) в осахаренном сусле контрольного и опытного вариантов

 

Таким образом, по сравнению  с механико-ферментативным способом ультразвуковая обработка разваренной  массы позволяет снизить общее  содержание микроорганизмов в сусле  на 98 - 99 %.

 

2.7 Сравнительная характеристика зрелой бражки, полученной с использованием ультразвука и добавкой ионов кальция в процессе водно-тепловой обработки пшеницы

 

Для изучения зависимости  между активацией ферментов в  процессе водно-тепловой обработки  пшеницы ультразвуком и добавкой ионов кальция и интенсификацией процесса брожения проводили сбраживание полученных образцов сусла.  В качестве контроля использовали сусло, приготовленное без использования ультразвуковой обработки, без добавки кальция.

При сбраживании сусла, полученного  с использованием непрерывного ультразвукового  воздействия, наблюдали максимальное увеличение выделения СО₂ на 22,3 % по сравнению с контролем. Процесс сбраживания сусла сократился на 8 - 10 ч, рисунок (19).

 

Рисунок 19 - Динамика выделения  углекислого газа в процессе сбраживания  сусла, обработанного ультразвуком

 

При анализе бражки в опытных  вариантах и контроле определяли количество образовавшегося спирта, титруемую  и активную кислотности, количество нерастворенного крахмала, несброженных углеводов.

 

Таблица 15 - Физико-химические показатели зрелой бражки

Показатели	Контроль	№1	№2	№3
1	2	3	4	5
Объемная  доля спирта в бражке, %	7,5	6,6	8,1	8,8
Титруемая кислотность, град	0,35	0,42	0,44	0,57
Активная  кислотность, рН	4,7	4,3	4,6	4,7
Массовая  концентрация нерастворенного крахмала, г/100 см3	0,108	0,138	0,096	0,059
Массовая  концентрация несброженных углеводов, г/100 см3	0,450	0,502	0,412	0,406

       

Максимальное содержание спирта в бражке наблюдали при  сбраживании сусла, полученного  с использованием непрерывного ультразвукового  воздействия и добавкой ионов кальция (таблица 15).

Далее проводили перегонку  бражки и в дистилляте опытных  вариантов и контроля анализировали содержание летучих примесей [14].

 

Таблица 16 - Содержание летучих примесей спирта в бражке

Примеси	Содержание, мг/дм3
	Контроль	№1	№2	№3
1	2	3	4	5
Ацетальдегид	280,472	200,012	200,309	126,306
Пропионовый альдегид	18,005	17,476	18,315	10,628
Метилацетат	34,041	31,983	29,864	25,877
Этилацетат	89,433	88,448	97,376	97,348
Метанол	1,845377	1,703589	0,652894	0,612857
2-пропанол	11,044	10,328	10,099	8,098
1-пропанол	121,706	105,802	104,412	84,385
Изобутанол	1042,686	966,408	498,885	498,979
1-бутанол	9,955	9,719	9,759	5,756
Изоамилол	1381,002	1323,821	922,633	822,623