WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

«РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО СУСЛА ИЗ ЯЧМЕНЯ ...»

На правах рукописи

УСТИНОВА АЛИСА СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ

ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО СУСЛА ИЗ ЯЧМЕНЯ

Специальность 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов

и биологических активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель: Меледина Татьяна Викторовна доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Красникова Людмила Васильевна доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет, информационных технологий, механики и оптики институт, профессор Лебедева Екатерина Петровна кандидат технических наук, ООО«SHA-LE FOODS,заместитель директора Ведущее предприятие: ГНУ ВНИИ пищевых ароматизаторов, кислот и красителей Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится «11» декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при СанктПетербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, тел./факс 315-30-15.



С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «7» ноября 2013 г.

Ученый секретарь Колодязная диссертационного Совета Валентина Степановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время среди актуальных направлений развития спиртовой промышленности можно выделить снижение себестоимости спирта за счет экономии энергоресурсов и применения более дешевого вида сырья.

Эффективным и не требующим капитальных затрат способом снижения потребления электроэнергии является использование технологии сбраживания высококонцентрированного зернового сусла.

Однако применение технологии переработки высококонцентрированных сред осложняется проблемой неполного сбраживания углеводов.

Во время сбраживания высококонцентрированного зернового сусла необходимо, чтобы дрожжи были осмотолерантными и устойчивыми к продуктам своей жизнедеятельности – этиловому спирту, кислотам, а также к повышению температуры питательной среды, поэтому при переработке высококонцентрированных среднеобходимо применять специальные штаммы дрожжей.

В работах И. Трофимовой (Трофимова, И. И. Исследование и разработка способа сбраживания высококонцентрированного сусла из крахмалистого сырья: Автореферат дис. …канд. техн. наук. - Москва,

1979) было показано, что при производстве спирта при сбраживании высококонцентрированных сред на степень их сбраживания влияет доброкачественность сусла, т.е. отношение суммарной концентрации сбраживаемых углеводов к концентрации растворенных в сусле соединений, причем высокое содержание редуцирующих веществ в сусле негативно сказывается на степени его сбраживания.

В работах Н. Бараковой (Баракова, Н. В. Исследование влияния степени диспергирования зерна на технологические параметры при производстве спирта из пшеницы / Н.





В. Баракова, А. С. Устинова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности. Материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 28-30 апреля 2010 года, г. Бийск, часть 1. – 2010. – С. 220-222) и соавторов было установлено, что на степень сбраживания высококонцентрированного пшеничного сусла влияет не только его доброкачественность, но и соотношение концентраций различных сбраживаемых углеводов, одним из способов формирования которой является механическая деструкции сырья.

Поэтому важным аспектом при решении вопроса полного сбраживания углеводов помимо правильного выбора штаммов дрожжей является вопрос формирования состава питательной среды.

Один из эффективных способов регулирования углеводного состава питательной среды - внесение ферментных препаратов, содержащих глюкоамилазу.

Таким образом, повышение степени сбраживания высококонцентрированного сусла, а следовательно, снижение концентрации несброженных углеводов в зрелой бражке, представляет собой актуальную задачу, стоящую перед спиртовой промышленностью.

Особенно важно исследовать все перечисленные аспекты на примере получения и сбраживания высококонцентрированного ячменного сусла, так как ячмень является более дешёвой зерновой культурой по сравнению с другими видами злаков и может существенно повлиять на снижение себестоимости спирта.

Цель исследования. Разработка технологии сбраживания высококонцентрированного ячменного сусла на основе регулирования состава питательной среды и выбора штамма дрожжей.

В соответствии с целью решались следующие задачи:

провести скрининг штаммов спиртовых дрожжей с целью выбора осмо- и спиртоустойчивых культур дрожжей;

изучить влияние штаммовых особенностей дрожжей на накопление примесей в бражке из высококонцентрированного ячменного сусла;

исследовать влияние углеводного состава высококонцентрированного сусла на бродильную активность спиртовых дрожжей;

выявить влияние компонентов культуральной среды на ее осмолярность и бродильную активность дрожжей;

разработать режим осахаривания высококонцентрированного ячменного сусла, обеспечивающий наиболее полное сбраживание углеводов;

разработать проект технической документации по технологии сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя.

Научная новизна работы:

установлено, что штаммовые особенности дрожжей при сбраживании высококонцентрированного сусла из ячменя влияют на содержание несброженных углеводов и количество примесей в зрелой бражке;

показано, что гранулометрический состав помола ячменя влияет на степень сбраживания полученного из него высококонцентрированного сусла;

получено уравнение регрессии, устанавливающее корреляцию между осмолярностью среды, концентрацией глюкозы и мальтозы в питательной среде;

установлено, что дробное внесение ферментных препаратов осахаривающего действия на стадии брожения снижает количество несброженных углеводов в бражке, увеличивает выход спирта и снижает концентрацию летучих примесей.

Практическая значимость.

разработан режим внесения ферментных препаратов осахаривающего действия на стадии сбраживания высококоцентрированного ячменного сусла;

разработана технология сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя и проект технической документации;

проведены испытания на заводе ООО «МЕДОВАРУС» (г. СанктПетербург).

Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии на спиртовом заводе мощностью 6000 дал/сутки составит 18,6 млн. руб. в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Конгрессе молодых ученых (СПб, НИУ ИТМО ИХиБТ, 2013), на ХLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО и на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

выбор осмотолерантного штамма дрожжей для сбраживания высококонцентрированного ячменного сусла методом скрининга штаммов;

зависимость степени сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя от гранулометрического состава помола сырья;

влияние углеводного состава среды и содержания в ней этанола на ее осмолярность;

результаты исследования влияния углеводного состава питательной среды на бродильную активность дрожжей;

режим осахаривания высококонцентрированного ячменного сусла, обеспечивающий снижение концентрации несброженных углеводов в зрелой бражке.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, экономического расчета, выводов, списка литературы, включающей 102 источника, из них 41 – иностранный. Диссертация содержит 113 страниц машинописного текста, 17 иллюстраций и 21 таблицу.

–  –  –

Структурная схема исследований приведена на рис. 1.

Анализ технической, научной и патентной литературы Планирование эксперимента. Выбор объектов и методов исследования.

Выбор технологии приготовления сусла

–  –  –

Рисунок 1 – Схема экспериментальных исследований В работе применялись стандартные методики анализа сырья и полуфабрикатов при производстве этилового спирта из зернового сырья согласно «Инструкции технохимического и микробиологического контроля спиртового производства».

Концентрации вторичных метаболитов дрожжей в спирте оценивали на газовом хроматографе «Кристалл-2000М». Осмолярность питательных сред измеряли на осмометре марки VAPRO («WESCOR Inc», США).

Концентрацию аминного азота измеряли колориметрическим методом с применением нингидрина. Углеводный состав сусла измеряли методом Зихерда-Блейера в модификации Смирнова.

При выполнении работы использовали математические методы планирования эксперимента. Статистическая обработка результатов проводилась с использованием программ MathCad, Curve Expert и Microsoft Excell. Достоверность во всех экспериментах принималась равной 95%.

Скрининг штаммов дрожжей.

Восприимчивость клетки к стрессовым факторам внешней среды является штаммовой характеристикой и определяется ферментативной системой микроорганизма.

Для выявления штаммов дрожжей, способных к полному выбраживанию углеводов в условиях высококонцентрированного сусла, был произведен скрининг пяти штаммов спиртовых дрожжей. Скрининг проводили по устойчивости к осмотическому, этанольному и кислотному стрессу. Для получения более полной характеристики штамма был произведен также тест на устойчивость к действию различных температур.

Фотографии полученных колоний, выросших в экстремальных условиях, представлены на рис. 2.

кл/мл 107 106 105 104 103 107 106 105 104 103 XII

–  –  –

R г) 410С

в) рН=3,24 Рисунок 2 - Фотографии колоний штаммов спиртовых дрожжей, выросших на отпечатках репликатора (а-г – колонии, инкубированные при экстремальных условиях) Скрининг производили методом посева серии последовательных разведений с помощью штампа-репликатора. Устойчивость или чувствительность штаммов к действию исследуемых факторов оценивали по количеству и размеру колоний, выросших на отпечатках репликатора, соответствующих разведениям.

В результате скрининга пяти штаммов спиртовых дрожжей установлено наличие трех осмофильных и одного кислотоустойчивого штамма дрожжей. Один штамм (XII) оказался наиболее термолабильным.

Следующим этапом было исследование бродильной активности изучаемых штаммов дрожжей на высококонцентрированном ячменном сусле.

В результате бродильной пробы, поставленной на высококонцентрированном ячменном сусле выявлена одинаковая динамика брожения для всех изучаемых штаммов.

После окончания брожения проводился анализ зрелой бражки, Учитывая допустимую погрешность эксперимента, можно сделать выводы, что единственным показателем, по которому можно установить различия между образцами, является концентрация несброженных углеводов, которая приведена на рис. 3. Концентрация спирта в бражке колебалась в пределах от 10,4 до 10,9%.

–  –  –

Изоамилол 355,77 462,13 179,39 282,72 174,71 Сумма примесей 523,38 707,10 384,99 530,97 330,63 По результатам газохроматографического анализа бражки можно сделать вывод, что максимальное количество вторичных метаболитов в процессе сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя продуцировали дрожжи штамма XIII, минимальное – дрожжи штамма R.

Учитывая, что примеси в спирте существенно влияют на качество конечного продукта, можно сделать вывод о том, что с точки зрения повышения органолептических свойств готовой продукции для сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя из исследуемых штаммов наиболее подходят дрожжи штамма R, которые далее использовали для проведения исследований.

Исследование влияния гранулометрического состава помола ячменя на углеводный состав сусла и бродильную активность дрожжей.

В ходе эксперимента были приготовлены и сброжены образцы ВКС из помолов ячменя различного гранулометрического состава. По результатам анализов (табл. 3) установлено, что в результате увеличения доли фракции частиц размером менее 1мм с 55 до 100% соотношение между концентрациями глюкозы и мальтозы в сусле изменилось в сторону увеличения доли мальтозы, при этом содержание несброженных углеводов в бражке снизилось на 27%.

Таблица 3 – Показатели сусла и бражки № Содержание в помоле Соотношение между Содержание образ- частиц с диаметром концентрациями глюкозы и несброженных углеводов, г/100 см3 ца менее 1 мм мальтозы 1 55 % 1:1,0 1,64±0,08 2 100 % 1:1,9 1,19±0,06 Исследование влияния состава питательной среды на осмолярность.

В связи с тем, что энергетический обмен клеток зависит от концентрации глюкозы и мальтозы, которые кроме того определяют осмотическое давление питательной среды, а также учитывая, что при брожении образуется этиловый спирт, необходимо было оценить совокупное влияние этих соединений на осмолярность раствора.

Для установления взаимосвязи между величиной осмолярности среды и содержанием в ней глюкозы, мальтозы и спирта была произведена серия измерений осмолярности растворов, содержащих различные концентрации данных соединений.

Опыты проводили согласно плану полного факторного эксперимента ПФЭ 23 (табл. 4).

В качестве функции отклика (Y) выбрана осмолярность (ммоль/кг);

кодированных переменных – концентрация глюкозы (Х1), мальтозы (Х2) и этанола (Х3).

–  –  –

Интенсивность процесса брожения определяли по скорости образования диоксида углерода (рис. 4).

Рисунок 4 – Изменение скорости сбраживания сусла в процессе брожения На рис. 4 видно, что наибольшая скорость выделения диоксида углерода наблюдается в первые 12 часов в среде, содержащей 5% глюкозы и 25% мальтозы. Однако после периода адаптации максимальная активность дрожжей наблюдается в образце №2, содержащей 25% глюкозы и 5% мальтозы. Следовательно, для повышения физиологической активности дрожжей необходимо снизить начальную концентрацию глюкозы, но обеспечить ее наличие в питательной среде в последующих за периодом адаптации стадиях. Этого можно достичь дробным внесением ферментного препарата с глюкоамилазной активностью.

Выбор оптимального режима осахаривания высококонцентрированного ячменного сусла.

Для проведения экспериментов было приготовлено ячменное сусло с содержание сухих веществ 22%. Затем сусло разделяли на три образца, один из которых служил контрольным вариантом. Для осахаривания использовали ферментный препарат осахаривающего действия Дистицим АГ в дозировке 7 ед. ГС/г условного крахмала.

В контрольном варианте ферментный препарат вносили при температуре 60 оС на стадии осахаривания согласно «Технологическому регламенту производства спирта из крахмалсодержащего сырья».

В опытных вариантах стадия осахаривания была исключена, и для получения необходимого количества сбраживаемых углеводов ферментные препараты добавляли при температуре брожения 30 оС. В первом случае все количество Дистицим АГ вносили в среду одновременно с дрожжами, во втором варианте с целью снижения концентрации глюкозы в начале брожения рассчитанную дозу ферментного препарата делили на две части: 50% вносили одновременно с инокулятом, оставшиеся 50% добавляли после адаптации дрожжей через 12 часов брожения. Длительность процесса составляла 72 ч.

Влияние технологии осахаривания на бродильную активность дрожжей оценивали по динамике выделения диоксида углерода в ходе сбраживания полученных образцов сусла, а также по крепости бражки и концентрации в ней несброженных углеводов.

В процессе сбраживания образцов между ними наблюдались различия по интенсивности выделения диокисда углерода, которые можно объяснить различиями в осмотическом давлении сред, и более низкими значениями осмолярности в образе с распределенным дозированием препарата глюкоамилазы. Изменение показателя осмолярности во времени представлено на рис. 5.

Рисунок 5 – Изменение осмолярности сред в процессе сбраживания высококонцентрированного ячменного сусла (22 % сухих веществ)

–  –  –

ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности развития дрожжей в высокоплотных средах.

1. Скрининг пяти штаммов спиртовых дрожжей показал наличие трех осмофильных и одного кислотоустойчивого штаммов.

2. Установлено, что в зависимости от штаммовых особенностей дрожжей количество примесей в бражке из высококонцентрированного ячменного сусла колеблется в пределах 330-710 мг/л.

3. Показано, что увеличение в помоле ячменя до 100% мелкой фракции частиц с диаметром менее 1 мм в снижает концентрацию несброженных углеводов в бражке из высококонцентрированного сусла на 27%.

4. Выявлено, что глюкоза увеличивает величину осмолярности питательной среды в 1,5 раза больше по сравнению с мальтозой, а этанол не оказывает влияния на эту величину.

5. Установлено, что при повышении концентрации глюкозы в среде с 5% до 30% длительность периода до достижения максимальной скорости образования диоксида углерода увеличивается с 12 до 45 часов.

6. Доказано, что после периода адаптации дрожжей к высокому осмотическому давлению скорость брожения повышается при увеличении концентрации глюкозы.

7. Показано, что дробное внесение глюкоамилазы при сбраживании высококонцентрированного сусла на 6% увеличивает выход спирта, на 44% снижает количество несброженного сахара и на 25% снижает концентрацию летучих примесей в бражке.

8. Разработан проект технической документации на технологию сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя. Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии на спиртовом заводе мощностью 6000 дал/сутки составит 18,6 млн. руб. в год.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баракова, Н.В. Исследование влияния степени диспергирования зерна на технологические параметры при производстве спирта из пшеницы / Н. В. Баракова, А. С. Устинова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности.

Материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием 28апреля 2010 года, г. Бийск, часть 1. – 2010. – С. 220-222.

2. Устинова, А. С. Образование сивушных масел в процессе спиртового брожения / А. С. Устинова // Сборник "Проблемы техники и технологии пищевых производств" Депонирован 16.06.2011г. №297В2011. – С.82-88.

3. Давыденко, С. Г. Скрининг штаммов спиртовых дрожжей для сбраживания высококонцентрированного сусла [Электронный ресурс] / С.

Г. Давыденко, А. С. Устинова, Т. В. Меледина, Н. В. Баракова // Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств» / ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». - Электронный журнал. – СПб: СПбГУНиПТ, 2012. – №2. – сент. 2012. (http://www.openmechanics.com/journals)

4. Устинова, А. С. Пути интенсификации процесса сбраживания высококонцентрированного ячменного [Электронный ресурс] / А. С.

Устинова, Н. В. Баракова, В. С. Тирская // Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств» / ГОУ ВПО «СанктПетербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». - Электронный журнал. – СПб: СПбГУНиПТ, 2012.

– №2. – сент. 2012. (http://www.open-mechanics.com/journals)

5. Устинова, А. С. Биосинтез летучих высших спиртов в процессе спиртового брожения / А. С. Устинова, Т. В. Меледина // Индустрия напитков. - 2012. - №4. – С. 8-11.

6. Устинова, А. С. Влияние штамма дрожжей на сбраживание высококонцентрированного ячменного сусла / А. С. Устинова, В. С.

Тирская // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / отв. ред. А.Ю. Просеков; ред. кол.: М.А. Осинцева, А.И. Лосева, А.П.

Сырцева. – Кемерово, 2012. – 663 с.

7. Устинова, А. С. Влияние углеводного состава высококонцентрированного ячменного сусла на бродильную активность спиртовых дрожжей / А. С. Устинова, Т. В. Меледина, Н. В. Баракова, Е.

В. Борисова, К. А. Кузнецова // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2013. - №3. – С. 37-40.

8. Устинова, А. С. Влияние углеводного состава среды на бродильную активность дрожжей / А. С. Устинова // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 4. – СПб: НИУ ИТМО. – 2013. – С. 94-96.






Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ Волгоградский государственный медицинский университет Кафедра анестезиологии и реаниматологии с трансфузиологией ФУВ "УТВЕРЖДАЮ" Декан ФУВ " " 2017 г. Магницкая О.В. РАСПИСАНИЕ зан...»

«Коммерческое предложение ООО "БИОСМАРТЕКС", специализирующееся на разработке, проектировании, изготовлении и комплектации высокотехнологического оборудования для переработки всех видов биомасс, в высокоэффективное, экологически чистое твердое биотопливо топливные гранулы (пеллеты) и топливные брикеты. Наша компания имеет возмож...»

«270 ЕКОНОМІКА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ ТА ОХОРОНИ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА Светлана В. Шарыбар ФОРМИРОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГОЭКОНОМИЧЕСКОЙ ИНВЕСТИЦИОННОЙ ПОЛИТИКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВ...»

«Утверждены Решением Комиссии таможенного союза от 18 ноября 2010 г. N 455 ЕДИНЫЕ ФОРМЫ ВЕТЕРИНАРНЫХ СЕРТИФИКАТОВ Форма N 1 (1) ТАМОЖЕННЫЙ СОЮЗ (2) _ (наименование уполномоченного органа в области ветеринарии государства члена Таможенного Союза) (3) ВЕТЕРИНАРНЫЙ СЕРТИФИКАТ * (4) Серия XX N XX XXX...»

«© 1994 г. С.М. НАВАСАРДОВ ДЕМОГРАФИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ И СОЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЭКОНОМИЧЕСКИХ РЕФОРМ В МАГАДАНСКОЙ ОБЛАСТИ НАВАСАРДОВ Сергей Михайлович — доктор медицинских наук, главный научный сотрудник Института биологических проблем Севера ДВО РАН. Тенденции воспроизводства и миграции населения Магаданской области (включая...»

«ВАЗОРАТИ МАОРИФ ВА ИЛМИ ЉУМЊУРИИ ТОЉИКИСТОН МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ДОНИШГОЊИ ДАВЛАТИИ ХУЉАНД БА НОМИ АКАДЕМИК БОБОЉОН FАФУРОВ ХУДЖАНДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА...»

«ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ И АТОМНОМУ НАДЗОРУ (РОСТЕХНАДЗОР) _ ПРИОКСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ s Юридический адрес: пр-кт Ленина, д.40, г. Тула, 300041, тел. (4872)36-26-35, E-mail: Driok@g...»

«Экологические сказки Экологические сказки Сказка входит в жизнь ребенка с самого раннего возраста, сопровождает на протяжении всего дошкольного детства и остается с ним на всю жизнь. Со сказ...»

«Муниципальное бюджетное дошкольное образовательное учреждение детский сад комбинированного вида № 8 "Снеговичок" Дидактические игры по экологическому воспитанию для детей среднего дошкольного возраста Подготовила воспитатель Жидкова А.А. г.Нижневартовск, 2013г. Дидактическая игра занимае...»









 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.