Концентрированные ферментные препараты для спиртовой промышленности.
Римарева Л.В.
В настоящее время проблеме применения микробных ферментов в перерабатывающих отраслях промышленности продолжают уделять все большее внимание ученые и производственники во многих странах мира. По прогнозам специалистов, использование ферментных препаратов (ФП) микробного происхождения в промышленности имеет устойчивую тенденцию к увеличению, при этом 2/3 текущего объема составляют ферменты для пищевой промышленности, а их основная доля приходится на спиртовую отрасль.
В спиртовой промышленности, перерабатывающей крахмалистое сырье, широко применяются ферменты гидролитического расщепления крахмала. Для этой цели используется зерновой солод и ферментные препараты микробного происхождения. Применяемый в спиртовом производстве зерновой солод осуществляет гидролиз крахмала до сбраживаемых углеводов и является источником азотистого питания для дрожжей и при осахаривании крахмалистого сырья производит частичную деструкцию его клеточных стенок и белковых веществ.
Однако при применении солода из-за ограниченной возможности создания достаточно высокой концентрации ферментов скорость осахаривания и протеолиза сырья остается низкой, что затрудняет интенсификацию процесса брожения. Эффективная замена солода ферментами микробного происхождения является важной задачей. Опытом работы спиртовых заводов в последние 20 лет показано, что применение ферментных препаратов экономически оправдано: интенсифицируется процесс осахаривания крахмала, повышается степень использования сырья, стабилизируются технологические процессы.
Потребность спиртовой отрасли России в комплексных ферментных препаратах составляет около 7 тыс. тонн, доля отечественных препаратов - менее 15 %. При этом их ассортимент, готовая форма и упаковка не удовлетворяют в полной мере запросам промышленности. Достаточно эффективно в настоящее время работают цеха глубинного культивирования при спиртовых заводах, обеспечивая потребности собственных и близлежащих заводов в осахаривающих ферментах. Однако их явно недостаточно, и для увеличения объема производства ферментов необходимо дооснащение цехов оборудованием по концентрированию препаратов.
Ферментным отделом ВНИИПБТ проведен анализ концентрированных ферментных препаратов отечественного и импортного производства и исследована эффективность их применения в спиртовом производстве.
Все ферментные препараты, предназначенные для спиртовой промышленности можно подразделить на три основные группы по специфичности их воздействия на различные высокомолекулярные полимеры зернового сырья.
Основные показатели по характеристике и применению ферментных препаратов в спиртовом производстве приведены в таблице №1.
В настоящее время многие наши спиртзаводы используют для ферментативной обработки крахмалсодержащего сырья концентрированные ферментные препараты амилолитического действия. Несмотря на высокое качество ферментных препаратов и удобство их применения, в ряде случаев имеютяс сложности по правильному их использованию в технологическом производстве. Поэтому нашей задачей является на основе анализа работы заводов и данных лабораторных исследований определять технологические возможности применения новых ферментных препаратов для повышения эффективности биотехнологических процессов переработки крахмалсодержащего сырья и технологий их применения.
При выделении и очистке ферментов сложно добиться полного сохранения ферментативного комплекса в концентрированном препарате. Это подтверждается биохимическими показателями импортных высокоактивных ферментных препаратов, которые представляют собой в основном препарат одного фермента с определенным оптимумом действия и специфичностью, редко - двух и более. Поэтому применение концентрированных ферментных препаратов требует точного соблюдения технологий их применения, которая разрабатывается на основе биохимических и технологических характеристик препарата в каждом конкретном случае. При использовании концентрированных ферментных препаратов в производственных условиях необходимо учитывать физико-химические показатели производства ( рН и минеральный состав воды, рН и температура замеса и сусла, длительность стадий ферментативной обработки крахмалсодержащегосырья ). В настоящее время уже накоплен научный и практический опыт применения этих ферментных препаратов.
Одним из перспективных препаратов, широко применяемых на заводах, работающих по механико-ферментативной схеме подготовки сырья , является препарат бактериальной термостабильной а-амилазы. Препарат гидролизует внутренние а-1,4-гидролизные связи крахмала и продуктов его последовательного расщепления, что приводит к быстрому снижению вязкости клейстеризованного крахмала, тем самым обеспечивая подготовку сусла к действию глюкоамилазы. Конечными продуктами действия являются декстрины и олигосахариды. Максимальная эффективность их действия находится в интервале температур 80 - 95 гр Цельсия и значении рН 5.0 - 8.0. Препараты обладают высокой термостабильностью: термостатирование при температуре 95 гр Цельсия в течение 1 часа приводит к потере 40 % от исходной активности, температура полной инактивации - выше 105 - 110 гр Цельсия.
Высокая термостабильность и оптимум действия этих ФП способствуют снижению расхода препаратов для разжижения крахмала зернового сырья в спиртовом производстве. Нормы расхода термостабильных препаратов по амилолитической активности соответствуют 0,2 - 0,3 ед. АС/г крахмала, против 1,0 - 1,5 ед АС/г для мезофильных амилаз. Уровень активности определяется по ГОСТ при 30 гр. Цельсия /1/.
Так, например, на некоторых спиртзаводах переработка крахмалистого сырья осуществляется по схеме так называемого мягкого разваривания, когда основная гидродинамическая и ферментативная обработка происходит при температуре 80 - 95 гр. Цельсия - оптимальной для действия термостабильной амилазы. В этой зоне температур фактическое содержание амилолитической активности при разжижении крахмала зернового затора возрастает у термостабильных амилаз в 4-9 раз и составляет от 1,2 до 2,9 ед АС/г крахмала, в то время как у мезафильных амилаз (в связи с их термолабильностью) этот показатель падает и составляет только 0,4 ед АС/г крахмала при 80 гр Цельсия, а при 90-95 гр Цельсия - фермент полностью инактивируется. Поэтому эта схема наиболее эффективна при использовании ФП термостабильной а-амилазы (амилолихотерм, термамил, зимаджунт и др.) Важен не только температурный режим гидродинамической обработки, но и рН водномучной суспензии, при котором происходит разжижение и клейстеризация крахмала. Обычно он находится в интервале 5,5-6,5 и также соответствует оптимальным пределам действия этих ферменов. В результате крахмал хорошо декстринизируется , вязкость снижается, сусло разжижается и отличается хорошей подвижностью. В настоящее время появились новые ферментные препараты, выдерживающие и более низкие значения рН.
Ферментные препараты глюкоамилазы (глюкавоморин, сан супер, глюкозим и др.) задают в осахариватель при всех схемах спиртового производства при температуре 55-60 гр Цельсия. Однако высокое рН сусла не соответствует оптимальному действию этих ферментов. Особенно это сказывается на процессе дрожжегенерации, где очень важна глубокая степень гидролиза крахмала до усвояемых дрожжами углеводов, так как в процессе пастеризации осахаренного сусла ФП инактивируются. Ферментным отделом ВНИИПБТ разработан технологический прием, который позволяет повысить степень осахаривания дрожжевого сусла и тем самым интенсифицировать процесс дрожжегенерации: по истечении половинного времени доосахаривания дрожжевое сусло подкисляется серной кислотой до оптимального для действия глюкоамилазы рН, и еще 1.5-2 часа продолжается осахаривание, только после этого проводится пастеризация. В результате длительность приготовления дрожжей сокращается, а их качество улучшается. На некоторых заводах для повышения степени гидролиза крахмала, особенно при высоком рН сусла, часть глюкоамилазы задают непосредственно в чан, где среда подкисляется за счет введения сернокислых дрожжей и их дальнейшей жизнедеятельности. Однако дозировку фермента в чан необходимо подбирать постепенно, в соответствии с условиями процесса и технологическими показателями брожения в каждом конкретном случае.
К перспективным для спиртовой промышленности следует отнести препараты протеолитического действия. Пока они чрезвычайно редко применяются в производстве из-за их высокой стоимости. Однако технологический эффект от протеаз весьма высок, особенно от ферментативного комплекса грибных протеаз.
Экспериментально исследована и подтверждена в производстве эффективность комплекса кислых и слабокислых протеаз амилопротооризина при осахаривании и протеолизе высокомолекулярных полимеров различных видов зернового сырья с образованием легкоассимилируемого аминного азота.
Амилопротооризин - комплексный ферментный препарат, содержит наряду с протеазами (1100 ед), а-амилазу (1500 ед), b-глюканазы (1300 ед), ксиланазу и ферменты цитолитического действия. Получают его путем глубинного или твердотельного культивирования микромицента.