Осахаривание

Клейстеризация крахмала.

Разжижение и осахаривание крахмала.

 

Сбраживание

Контроль качества зрелой бражки.

Сбраживание периодическим способом осахаренного сусла.

Непрерывные схемы брожения в технологии спирта.

Поточный метод сбраживания крахмалистых материалов.

Головной чан бродильной батареи

Брожение и образование сивушного масла

Чистка и дезинфекция оборудования спиртового производства

Мойка оборудования

Расчет внутреннего змеевикового охладителя бродильного чана

Тепловой насос для охлаждения бродильного чана выносными теплообменниками

Машины и системы низкопотенциальной энергетики

Схемы непрерывных бродильных установок с элементами под вакуумом

Интенсификация непрерывного брожения сусла / бражки с применением вакуума

Ускорение непрерывного брожения рециркуляцией дрожжей

Влияние концентрации сухих веществ в исходном сусле на динамику накопления продуктов брожения

Теория непрерывного процесса перемещения жидкости в батарее сообщающихся сосудов

Оборудование для непрерывного брожения

Цена бродильного чана

Способы сбраживания. Расчет производительности бродильной батареи.

 

Разжижение и осахаривание крахмала

Назначение процесса осахаривания

 

Разжижение и осахаривание крахмала ферментативным гидролизом хорошо исследовано и изучено. Назначение его состоит в переводе крахмала, содержащегося в разваренной массе, в сахара (мальтоза + декстрины) под воздействием амилазы зеленого солода или плесневелых грибов при подготовке его (крахмала) к сбраживанию.

 

В 1811 году адъюнкт Российской Академии наук Константин Кирхгоф открыл превращение крахмала в сахар при кипячении с серной кислотой. За это открытие он был избран экстраординарным академиком и награжден пенсией. В 1814 году Кирхгоф открыл другую не менее важную каталитическую реакцию - действие диастсза солода на крахмал.

В статье "О приготовлении сахара из крахмала" Кирхгоф указывал, что "высокая цена арабского гумми побудила меня искать дешевого суррогата последнего. И казалось мне возможным и достижимым устранить желатинообразное состояние кипяченого крахмала посредством разбавленных минеральных кислот и теплоты, а если это удалось бы, предполагал я, тогда он (крахмал) должен был быть похож на арабское гумми". И дествительно, сегодня общеизвестно, что что серная,азотная и щавелевая кислоты уничтожают желатинообразное состояние крахмала и под их воэдействием при продолжительном нагревании крахмал превращается в глюкозу.

Для изучение эволюции представлений о процессе гидролиза, частным случаем которого является осахаривание крахмала, представлеют интерес воззрения профессора А.Н. Ходнева.

В 1852 году профессор Ходнев высказал мысль, что катализатор является химически активным веществом, которое дает промежуточные продукты. Каталитическое воздействие кислот на крахмал и превращение его в глюкозу профессор Ходнев объяснял предварительным образованием "парных соединений", например серная кислота присоединяется к крахмалу, а это соединение легко распадается при нагревании с водой на серную кислоту и углевод, который в "минуту выделения поглощает воду и переходит в виноградный сахар".

Действие диастаза зеленого соода на крахмал, по мнению профессора Ходнева, также состоит в постепеном образовании и разложении "парных соединений".

 

В последнее время стали известны природа и состав ферментов. Установлено, что фермент состоит из белковой части (апофермента) и свободной от белка части (простетической), называемой коферментом.

Кофермент можно отделить от апофермента путем диализа, причем в свободном состоянии коферменты термостабильны. При соединении кофермента с апоферментом восстанавливается присущая молекуле фермента активность.

Молекула апофермента обладает, по-видимому, функциями активирования полярных групп и связывания фермента с субстратом.

Соединение фермента с субстратом может тормозиться веществами, образующими с ферментом стойкие соединения.

Предположение об образовании промежуточных соединений фермента и субстрата ранее основывалось главным образом на изучении кинетики реакций при различных условиях. В настоящее время образование пероксидазой и каталазой комплексов с субстратом доказано спектрофотометрическим анализом.

При тесном соприкосновении реакционной группы фермента с реакционной группой субстрата образуется ферментсубстратный комплекс.

В ферментсубстратном комплексе имеется связь между полярными группами фермента и субстрата.

Механизм связи комплекса фермент-субстрат был также доказан при помощи глюкозофосфатов, специально помеченных атомами С14.

Соединение фермента с субстратом зависит от пространственного расположения вступающих в реакцию групп фермента и субстрата и их конфигурации.

Многие детали механизма образования ферментсубстратного комплекса изучены еще недостаточно, но можно с уверенностью сказать, что в его образовании участвуют несколько реакционных групп субстрата и фермента. Данное положение подтверждается специфичностью ферментативных реакций, причем важную роль при этом форма поверхностей реагирующих групп фермента и субстрата.

 

Как известно, при ферментативном гидролизе крахмала в условиях спиртового производства получается мальтоза и смесь промежуточных продуктов, называемых декстринами.

Мальтоза легко сбраживается дрожжами с образованием спирта (и побочных продуктов брожения) и углекислоты, а превращение декстринов в сахара и сбраживание их происходит в период дображивания под действием разжижающих амилолитических ферментов

Процесс осахаривания крахмала протекает в две стадии: в первой происходит уменьшение вязкости раствора крахмала (разжижение) и во второй — собственно осахаривание (превращение в сахара и декстрины).

Разжижение и осахаривание крахмала протекают под воздействием амилазы.

В состав амилазы солода входят в качестве основных ферментов а-амилаза и b-амилаза.

а-амилаза образует декстрины и небольшое количество глюкозы, а b-амилаза отщепляет с нередуцирующих концов молекулы амилопектина и амилозы по два глюкозных остатка, к которым присоединяется одна молекула воды, в результате чего образуется мальтоза.

Исследования последних лет показали, что b-амилаза действует только с неальдегидного конца цепи, в связи с чем активность ее не уменьшается в случае окисления альдегидных групп сахара.

В процессе разжижения крахмала солодовой амилазой, содержащей а- и b-амилазу, крупные молекулы вначале расщепляются а-амилазой, разрывающей цепочки амилозы и амилопектина по связи 1—4 преимущественно в середине крупных цепей, образуя частицы с большим молекулярным весом — декстрины, а также небольшое количество глюкозы. Под воздействием b-амилазы декстрины продолжают расщепляться, образуя в конечном итоге продукты, не окрашивающиеся раствором йода.

Конечные продукты ферментативного гидролиза крахмала в основном представлены мальтозой, но включают также некоторое количество глюкозы и, кроме того, до 6—8% низкомолекулярных неосахариваемых декстринов, образующихся главным образом у точек разветвления молекулы амилопектина.

Действие b-амилазы не вызывает заметного изменения вязкости раствора крахмала.

Необходимо отметить, что b-амилаза расщепляет амилозу полностью, в то время как амилопектин, обладающий разветвленной структурой, расщепляется лишь на 50%.

Осахаривание амилопектина начинается с концов боковых цепочек и останавливается, дойдя до разветвления. В результате осахаривания амилопектина b-амилазой остается ствол молекулы, лишенный ветвей.

Не подвергшийся расщеплению амилопектин - амилодекстрин - представляет собой амилопектин с более короткми боковыми цепями.

Скорость фементативного гидролиза крахмала

Константы скорости реакции осахаривания рассчитываются по уравнению мономолекулярной реакции.

Математическая зависимость константы скорости от температуры удовлетворяет уравнению Аррениуса

Уравнение Аррениуса

Фермент или другой катализатор изменяют реакцию так, что она становится возможной при более низкой энергии активации. Так, инверсия сахарозы требует затраты 26000 кал/моль, а при действии фермента только 13000 кал/моль. Вследствие снижения энергии активации реакции идут с большей скоростью, так как большая часть молекул становится достаточно активной.

Механизм активирования можно рассматривать как результат столкновения реагирующих молекул или увеличения столкновений внутри молекул.

В результате химического и адсорбционного взаимодействия фермента с субстратом образуется промежуточный комплекс, от скорости распада которого зависит скорость данной реакции. Например:

В результате химического и адсорбционного 
      взаимодействия фермента с субстратом крахмала образуется промежуточный комплекс, от 
      скорости распада которого зависит скорость данной реакции.

Скорость реакции может определяться числом активных молекул, т.е. молекул, обладающих достаточной энергией активации и реагирующих в единицу времени.

При ферментативных процессах константа равновесия не изменяется, увеличивается лишь скорость протекания реакции в одном направлении.

Переход амилазы солода в раствор может быть ускорен созданием условий, благоприятствующих осмотическому проникновению воды внутрь проросшего солода с последующей диффузией амилазы через стенки солодового зерна.

Уменьшение активности амилазы под действием тех или иных добавок связано с адсорбцией определенных веществ по месту их активных групп. Амилаза, имеющая активные группы, способна к адсорбции неорганических и органических веществ.

Блокирование активных групп амилазы металлов, например железа, алюминия, свинца, при растворении солей соответствующих металлов приводит к тому, что полярные группы не могут проявлять своих функций, т. е. активно взаимодействовать с полярными группами крахмала.

Забродский и Витковская [168] показали, что меланондиновые вещества оказывают инактивирующее действие на амилолитические ферменты солода, и установили их отрицательную роль в процессе осахаривания крахмала разваренной массы.

 

Методика осахаривания диспергированного крахмалсодержащего сырья

Навеску диспергированного сырья (50 или 100 г) переносили в литровую колбу и прибавляли воду в соотношении 1 : 2,5.

Смесь тщательно перемешивали мешалкой (от электромотора) при комнатной температуре в течение 30—40 минут, после чего подогревали до 55° и осахаривали в течение 30 минут солодовой вытяжкой. 20%-ную солодовую вытяжку готовили из равных частей ячменного и просяного солодов.

Вытяжку добавляли к осахариваемому диспергированному зерновому сырью из расчета 16% солодового зерна (ячменя и проса) по отношению к крахмалу сырья.

 

 

Влияние количества солода для осахаривания диспергированного крахмалсодержащего сырья

При действии a-амилазы и b-амилазы на амилопектин остаетя нерасщепленный остаток, содержащий фосфодекстрины. Разрыв связей с фосфорной кислотой достигается действием декстринолитического фермента - декстринофосфазы, называемой сокращенно декстриназой. Следовательно, для полного расщепления молекулы крахмала необходимо наличие декстриназы.

 Нарастание содержания амилазы и декстриназы солода при проращивании зерна.

Увеличение a-амилазной активности имеет несколько другой характер. В покоящихся зернах ячменя a-амилазная активность равна нулю, и только после длительного хранения в зерне можно обнаружить ее следы При проращивании зерна на третий-четвертый день наблюдается скачок в увеличении содержания a-амилазы, после чего a-амилазная активность постепенно увеличивается. При температуре 12-14 С предел достигается через 11-14 суток, при температуре 18-20 С на седьмые сутки, а при температуре 27-28 С на пятые сутки.

Декстриназа, как и амилаза накапливается по мере проращивания зерна. В начале проращивания накопление декстриназы, как и всех ферментов зерна, происходит медленно, затем, после четырех суток быстрее, а в конце (на десятые сутки) почти прекращается. На рисунке дано графическое изображение динамики накопления амилазы и декстриназы в условиях токовой солодовни для ячменя, овса и проса.

Длительность проращивания тесно связана с температурой, чем ниже температура, тем дольше нужно проращивать зерно.

В солоде разных злаков содержится разное количество этих ферментов. Таким образом, различают четыре группы злаковых:

Зерновые культуры

Ферменты

альфаамилаза

бетаамилаза

декстриназа

Группа ячменя (рожь, пшеница, тритикале)

высокое

среднее

низкое

Группа проса (сорго, гаолян)

среднее

низкое

высокое

Группа овса

среднее

среднее

среднее

Группа кукурузы

низкое

-

высокое

Одну зерновую культуру недостаточно выращивать на солод. Берут 2,3 солода, чтобы получить высокое содержание всех ферментов. Чаще всего берут ячменный и ржаной солода (источники альфа и бетаамилазы) и просяной солод (декстриназа). Или сумму трех солодов: ячменного, просяного и овсяного.

На отечественных спиртовых заводах для осахаривания используют несушеный солод. Он не может долго храниться, поэтому на каждом спирт. заводе его готовят в количестве, необходимом для текущей работы.

 Степень осахаривания в %...

Конечными продуктами осахаривания крахмала под действием амилазы солода являются мальтоза и декстрины. Соотношение между количеством этих продуктов и дествующей на крахмал амилазы солода не постоянно и зависит от многих факторов, главным обрзом от температуры осахаривания.

Прониным было показано, что при увеличении количества амилазы солода изменяется конечное соотношение между мальтозой и декстринами в очень сильной степени в сторону мальтозы. Возникает вопрос об оптимальном количестве солода, необходимом для осахаривания.

Малченко и Криштул, изучая осахаривание крахмала с различным количеством солода, показали, что для осахаривания можно употреблять меньшее количество солода против принятого в промышленности - до 5% к весу перерабатываемого сырья.

Они установили оптимальные количества солода, необходимые для осахаривания разваренного крахмалсодержащего сырья. Для изучения процесса осахаривания диспергированного сырья и определения оптимального количества солода нами была исследована кинетика осахаривания диспергированного сырья амилазой солода.

Для данных исследований брали 50 г диспергированного овса и 150 мл воды. Суспензию диспергированной овсяной муки размешивали при помощи мешалки при комнатной температуре в течение 30 минут, после чего нагревали колбу до 57° и выдерживали ее на водяной бане при 59°.

 

 Кинетика осахаривания диспергированного овса 2% солода

Кинетика осахаривания диспергированного овса 4% солода

Приведенные данные показывают, что оптимальное количество солода, необходимое для осахаривания диспергированного крахмал содержащего сырья, лежит в пределах 6—8% от веса осахариваемого сырья, что было подтверждено также сбраживанием диспергированного овса.

Все заводские исследования по осахариванию и сбраживанию диспергированного крахмалсодержащего сырья мы провели с 8% солода (ячмень и просо) от веса диспергированного сырья.

Ими установлено, что увеличение активности амиазы солода на 1,5 - 5% может быть достигнуто при пропускании через раствор переменного тока силой 0,013 - 0,015 ампер. При увеличении силы тока активность амилазы уменьшается.

Забродский указывает, что солодовое молоко, приготовленное на осахаренной массе, улучшает процесс осахаривания и растворимость крахмала солода.

Таблица. Экстрагирование амилазы солода.

Номер опыта

Осахаривающая способность (в мл) солодового молока, приготовленного

На воде

На разваренной массе

На осахаренной массе из осахаривателя II ступени

1

1,8

1,2

0,7

2

1,8

0,9

0,4

3

1,9

1,1

0,6

4

1,7

1

0,5

Изучение продолжительности осахаривания на чистых растворах крахмала показало, что изменение продолжительности осахаривания от 5 минут до 2 часов не влияет на показатели сброженных растворов. При осахаривании разваренной массы из зерна в течение 5 - 45 минут наблюдалось несколько увеличенное содержание нерастворенного крахмала в бражках при быстром осахаривании, количество несброженных сахаров и декстринов было одинаковым. Осахаривании разваренной массы при 55 - 58 °С в течение 15 - 120 минут почти не вызывает увеличения содержания в растворе сбраживаемых веществ, но при более продожительном осахаривании заметно повышается концентрация осахариваемой массы. Так, если после 15 минут осахаривания концентрация осахаренной массы была 13,8% (по сахарометру), то после 120 минут она повысилась до 14,8%.

Таким образом, при выборе режима осахаривания в производственных условиях следует учитывать не только температуру, но и продолжительность ее воздействия, а также способ задачи солодового молока.

Исследования, проведенные в Украинском НИИСПе (Раев , Ашкинузи), показали, что при осахаривании двухступенчатым методом лучше сохраняется активность амилолитических ферментов солода, причем осахаривани в первой ступени в течение 10 минут и во второй ступени - 2 минуты дает осахаренную массу с лучшими показателями, чем при 10 минутном осахаривании в каждой ступени. С точки зрения повышения выходов спирта двухступенчатое осахаривание более выгодно, чем одноступенчатое.

Исследованиями Раева , Ашкинузи, Дражнер и Базилевич выявлена зависимость осахаривающей и декстринолитической способности от способа осахаривания.

Показатели

Способ осахаривания

обычный

одноступенчатый

двухступенчатый

Осахаривающая способность

34,94

37,21

36,3

24,2

39,6

40,99

Декстринолитическая способность

7,51

9,64

7,75

5,96

11,18

12,51


Этими же авторами установлено, что фильтрационный анализ (определение скорости фильтрации) может служить критерием оценки режима осахаривания. В таблице показана зависимость скорости фильтрации осахаренной массы от длительности осахаривания (при температуре осахаривания 63-64°С).

Таблица. Скорость фильтрации заторов после 1й ступени осахаривания.

Количество фильтрата в мл

Количество фильтрата в % от веса фильтруемой массы при продолжительности осахаривания в минутах

0

20

30

45

60

10

-

-

3,6

1,5

1,5

15

3

3,3

5

2,3

2,3

20

3,6

4

5,8

2,9

2,9

25

4,2

5,3

6,9

3,5

3,5

30

5,1

6,3

7,8

4

4

Фильтруемость осахаренной массы обусловлена как расщеплением крахмала на мальтозу и декстрины, так и накоплением мальтозы, снижающей вязкость раствора.

Качество осахаренной массы зависит от принятого режима разваривания.

Забродский и Положишник показали, что фильтрационный, спектрофотометрический анализ и потенциометрическое титрование могут быть использованы для производственной характеристики разваренной и осахаренной массы.

В таблице приведены показатели фильтрации осахаренной массы при вакууме 800 мм вод.ст.

Таблица. Зависимость фильтрации осахаренной массы от температуры разваривания.

Температура разваривания в градусах

Объем фильтрата за 10 минут фильтрации в мл

Нормальная кукуруза

Дефектная кукуруза

Кукурузный крахмал

45

9,4

7,9

-

60

8,7

8,7

-

110

12,3

-

-

120

34,8

28,2

28,2

140

34,8

30

44,8

150

37,5

31,3

42,2

160

38,1

31,5

46,6

Чистый крахмал, лишенный белков и других коллоидных примесей, обладает большей способностью к фильтрации. Медленнее фильтруется осахаренная масса из нормальной кукурузы и еще медленнее - из дефектной кукурузы, что может быть объяснено образованием коллоидных веществ, обладающих большей гидрофильностью (способностью впитывать и удерживать воду).

 

По мнению Забродского, в дефектном зерне при высокой температуре, наряду с растворением и распадом белковых соединений, происходит синтез нерастворимых в воде гумусоподобных веществ.

Климовский, Коновалов и Залесская установили, что при осахаривании разваренной массы количество растворимого азота увеличивается за счет действия протеолитических ферментов солода в зависимости от принятого температурного режима разваривания зернового сырья.

Наибольшее количество растворимого азота (75% от общего азота сырья) образуется при температуре разваривания 150°С и наименьшее (32,8%) - при температуре - 100°С. При повышении температуры разваривания до 120 - 140°С количество растворимого азота составляет 40 - 41,9%.

Таким образом, нативные белки крахмалистого сырья лучше расщепляются ферментами солода, чем белки прогретого сырья.

Гидролитическое расщепление некоторой части белков и жиров зерна, распад углеводов, освобождение фосфорной кислоты из органических и неорганических соединений способствует образованию веществ, обладающих кислотными свойствами.

Кислотность осахаренной массы из дефектного зерна в 1,5-2 раза выше кислотности осахаренной массы из нормального зерна. Изменение кислотности в зависимости от условий разваривания сырья графически изображено на рисунке.

Цветность осахаренной массы может служить определенным критерием процессов, происходящих при нагревании зерна. При повышении температуры разваривания масса приобретает соломенно-желтую и коричневую окраску различной интенсивности. по цветности можно до известной степени судить о качестве разваренной массы. На рисунке приведен график, показывающий зависимость цветности осахаренной массы от температуры разваривания.

Для осахаривания крахмала зерно-картофельного сырья применяется смесь ячменного, просяного и овсяного солодов, причём сумма просяного и овсяного солодов должна быть не менее 30%. Допускается применять смесь из двух солодов: ячменного и овсяного или просяного. Ячменный солод можно заменять ржаным (или пшеничным) полностью или частично, а просяной – солодом из чумизы. Запрещается использовать солод из одной культуры при производстве спирта из зерна той же культуры (Смирнов В.А., 1981)....

 

Себестоимость производства пивоваренного солода от компании Русский солод

Периодический метод сбраживания осахаренного сусла


 


 


 

 

 

 

Яндекс.Метрика
Hosted by uCoz