Способ подготовки зернового крахмалсодержащего сырья для спиртового брожения

 

Изобретение относится к спиртовой промышленности. Способ подготовки предусматривает очистку зерна от примесей, смешивание с водой, термическую обработку, добавление ферментов, кислоты и осахаривание. После очистки зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки. Последующую обработку сырья осуществляют двумя потоками: мучнистое ядро смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 19-21%. Подвергают затем термической обработке экструзией. Смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты и кислоту в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения рН для используемого вида фермента, затем проводят осахаривание, оболочки смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 21-23%, добавляют не менее 2 мас.% щелочи. Затем подвергают термической обработке с добавлением кислоты в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения рН для используемого вида фермента. Затем добавляют целлюлолитические ферменты и проводят осахаривание, после чего оба потока объединяют и направляют на брожение. Изобретение позволит более полно использовать некрахмалистые полисахариды зерна, сокращает расход ферментов, снижает затраты тепла, повышает выход спирта.

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а более конкретно, к способам подготовки зернового крахмалсодержащего сырья для спиртового брожения.

Известен способ подготовки зернового крахмалсодержащего сырья для спиртового брожения [1], предусматривающий очистку зерна, его измельчение, смешивание измельченного зерна с водой (приготовление замеса), термическую обработку (разваривание), охлаждение, добавление комплексных ферментов, кислоты и осахаривание. Выход спирта обусловлен степенью гидролиза углеводов зернового сырья при осахаривании, в первую очередь крахмала, и практически не затрагивает другие группы полисахаридов: клетчатку, целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин, протолигнин и пр.

Существующий способ характеризуется медленным осахариванием крахмала сырья, не позволяет получать дополнительного количества спирта за счет гидролиза других углеводов сырья, требует значительного расхода ферментов для осахаривания, сопровождается высокими теплозатратами.

Цель изобретения - повышение выхода спирта, сокращение длительности осахаривания, снижение расхода ферментов для осахаривания, уменьшение теплозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу после очистки зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки, причем мучнистое ядро смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 19-21%, подвергают термической обработке экструзией, смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты и кислоту в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента и проводят осахаривание, а оболочки смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 21-23%, добавляют не менее 2% щелочи, подвергают термической обработке экструзией с одновременным добавлением кислоты в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента, смешивают с водой, добавляют целлюлолитические ферменты и проводят осахаривание, после чего оба потока объединяют и направляют на брожение.

Способ осуществляется следующим образом.

Зерно очищают от примесей любым из известных методов (воздушно-ситовые сепараторы, концентраторы, вибросепараторы, триеры и т.д.), очищенное зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки с использованием машин для обработки поверхности зерна (обоечные машины со стальным или наждачным цилиндрами, шелушильные машины с резиновыми или наждачными валком и декой и т.д.), после чего оболочки отделяют от мучнистого ядра воздушным потоком (пневмосепараторы, аспирационнные колонки, дуаспираторы и т.д.). К мучнистому ядру добавляют воду до массовой доли влаги 19-21% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты α- амилаза, β- амилаза, глюкоамилаза) и кислоту (HNO₃, HCl, H₂SO₄) в количестве, обеспечивающем создание pH, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 21-23%, добавляют щелочь (NaOH, Ca(OH)₂, КОН,) в количестве не менее 2 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты (H₂SO₄, NHO₃, HCl,) в количестве, обеспечивающем создание pH, оптимального для используемого вида фермента, после чего добавляют целлюлолитические ферменты (целлобранин ГЗх, целловиридин ГЗх, целлофторин ГЗх), экструдат смешивают с водой и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Пример 1. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в триере, очищенное зерно обрабатывают в шелушильной машине с резиновым валком и резиновой декой, мучнистое ядро отделяют от оболочек в дуаспираторе, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 18% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют α- амилазу и кислоту HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,7, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 20%, добавляют щелочь КОН в количестве 1,8 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты H₂SO₄ в количестве, обеспечивающем создание pH 4,5, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлобранин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 23 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 63,5 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 2. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в концентраторе, очищенное зерно обрабатывают в шелушильной машине с абразивным валком и резиновой декой, мучнистое ядро отделяют от оболочек в аспирационной колонке, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 19% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют β- амилазу и кислоту HCl в количестве, обеспечивающем создание pH 4,8, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 21%, добавляют щелочь Ca(ОН)₂ в количестве 2,0 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,2, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлофторин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 13 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 70,6 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 3. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в воздушно-ситовом сепараторе, очищенное зерно обрабатывают в обоечной машине с абразивным цилиндром, мучнистое ядро отделяют от оболочек в пневмосепараторе, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 20 % и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют глюкоамилазу и кислоту H₂SO₄ в количестве, обеспечивающем создание pH 4,2, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 22%, добавляют щелочь NaOH в количестве 3,0 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,3, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целловиридин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение. Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 9 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 70,8 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 4. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в концентраторе, очищенное зерно обрабатывают в обоечной машине со стальным цилиндром, мучнистое ядро отделяют от оболочек в аспирационной колонке, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 21% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют β- амилазу и кислоту HCl в количестве, обеспечивающем создание pH 4,8, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 23%, добавляют щелочь Ca(OH)₂ в количестве 4,0 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,2, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлофторин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 12 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 70,0 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 5. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в вибросепараторе, очищенное зерно обрабатывают в шелушильной машине с резиновым валком и резиновой декой, мучнистое ядро отделяют от оболочек в дуаспираторе, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 22% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют α- амилазу и кислоту HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,7, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 24%, добавляют щелочь КОН в количестве 4,2 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты H₂SO₄ в количестве, обеспечивающем создание pH 4,5, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлобранин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение. Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 21 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 63,9 дал. на 1 т усл. крахмала.

Следует отметить, что при совместном присутствии различных групп полисахаридов в одном объекте активность комплексных ферментов, расщепляющих каждую из них существенно ниже, чем в случае целенаправленного воздействия специфических ферментов только на определенные группы углеводсодержащих компонентов зернового сырья. Учитывая, что оптимальное значение pH, соответствующее максимальной активности амилолитических (гидролизующих крахмал) и целлюлолитических (гидролизующих некрахмалистые полисахариды), существенно отличается, раздельная обработка зернового сырья двумя потоками, в одном из которых сконцентрированы, в основном, крахмалсодержащие компоненты, а в другом - целлюлозосодержащие, позволяет не только сократить длительность осахаривания, но и уменьшить расход ферментов.

Добавление щелочи при обработке целлюлозосодержащего потока сырья приводит к растворению кремниевой кислоты, пропитывающей клеточную стенку гемицеллюлоз и лигнина, составляющих оболочки зерна, в результате чего увеличивается объем субмикроскопических капилляров и способность к набуханию.

По мере набухания и проникновения щелочи в массу клеточных стенок разрываются водородные связи, кристаллическая часть целлюлозы преобразуется в аморфную, расщепляются химические связи между лигнином и гемицеллюлозами. В результате отщепления ацетильных групп изменяется гидрофильность и растворимость гемицеллюлоз, происходит гидролиз гликозидных связей, сопровождающийся отщеплением концевых редуцирующих групп с образованием моносахаров.

Добавление кислоты позволяет перевести нацело оставшуюся целлюлозу в глюкозу.

Дополнительное количество сахаров за счет расщепления целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина способствует снижению расхода ферментов на осахаривание, повышению выхода спирта, позволяет отказаться от термической обработки, что снижает теплозатраты. Набухание клеточных структур при действии щелочи и кислоты обеспечивает более быстрое проникновение ферментов внутрь крахмалсодержащего сырья, что также сокращает длительность осахаривания. Повышение температуры и давления ускоряет воздействие щелочи и кислоты на растительную ткань, поэтому целесообразно обработку зернового крахмалсодержащего сырья производить непосредственно при экструдировании.

Предлагаемый способ позволяет более полно использовать некрахмалистые полисахариды зерна, которые, являясь потенциальными источниками сбраживаемых углеводов, в известных способах не участвуют в процессе биосинтеза спирта.

На этапе разваривания сырья в существующих способах подготовки зернового крахмалсодержащего сырья к спиртовому брожению используют термический нагрев замеса вторичным, а затем острым паром, его разваривание, выдерживание и вакуум-охлаждение, что сопровождается расходом тепла 130-150 кВт/ч. Раздельное экструдирование компонентов зернового крахмалсодержащего сырья требует затрат энергии 55 кВт/ч. Устранение термической обработки смеси сырья с водой позволяет сократить затраты тепла на 75-100 кВт/ч.

Источники информации 1. Мальцев П. М. Технология бродильных производств. - М.: Пищевая промышленность, 1980, с. 246-248.

Формула изобретения

Способ подготовки зернового крахмалсодержащего сырья для спиртового брожения, предусматривающий очистку зерна от примесей, смешивание с водой, термическую обработку, добавление ферментов, кислоты и осахаривание, отличающийся тем, что после очистки зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки, причем мучнистое ядро смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 19 - 21%, подвергают термической обработке экструзией, смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты и кислоту в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента, и проводят осахаривание, а оболочки смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 21 - 23%, добавляют не менее 2 мас.% щелочи, подвергают термической обработке экструзией с одновременным добавлением кислоты в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента, добавляют целлюлолитические ферменты и проводят осахаривание, после чего оба потока объединяют и направляют на брожение.