«РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»

На правах рукописи

СИДЯКИН МАКСИМ ЭДУАРДОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ

ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.18.07. - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., проф. Л.Н. Крикунова Москва – Содержание Введение 1 Обзор литературы 1.1 Технико-экономические аспекты производства пищевого этилового спирта на отечественных предприятиях 1.2 Сравнительная характеристика биохимического состава и микробиологических характеристик традиционных и нетрадиционного видов сырья 1.2.1 Углеводно-белковый состав пшеничного хлеба 1.2.2 Особенности микробиоты зернового сырья и пшеничного хлеба 1.3 Отходы хлебопекарного производства и традиционные пути их использования 1.4 Технологические стадии переработки крахмалсодержащего сырья 1.4.1 Влияние вида сырья на затраты при получении помола 1.4.2 Особенности получения осахаренного сусла из различных видов крахмалсодержащего сырья 1.4.3 Факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла из крахмалсодержащего сырья 1.4.4 Вредные примеси зрелой бражки и пути их образования 1.5 Заключение по обзору литературы 2 Экспериментальная часть 2.1 Материалы и методы исследований 2.1.1 Материалы 2.1.2 Методы исследований 2.1.2.1 Методы определения биохимических показателей сырья 2.1.2.2 Микробиологический контроль 2.1.2.3 Анализ полупродуктов спиртового производства (замеса, разваренной массы, сусла, бражки) 2.2 Результаты исследований и их обсуждение 2.2.1 Новое нетрадиционное сырье для спиртовой отрасли 2.2.1.1 Биохимический состав возвратных отходов хлебопекарного производства 2.2.1.2 Микробиологические характеристики традиционного и нового вида сырья для производства этанола 2.2.2 Режимы и технологические параметры получения осахаренного сусла из пшеничного хлеба 2.2.2.1 Сравнительная характеристика образцов сусла из традиционного и нетрадиционного видов сырья 2.2.2.2 Изучение реологического поведения замесов из пшеничного хлеба 2.2.2.3 Подбор и определение норм внесения амилолитических ферментных препаратов 2.2.2.4 Выбор режима водно-тепловой и ферментативной обработки сырья 2.2.3 Изучение процесса сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства 2.2.3.1 Получение и сравнительная характеристика образцов сусла, предназначенных для выбора дрожжей 2.2.3.2 Исследование минерального и аминокислотного состава сухих спиртовых дрожжей 2.2.3.3 Исследование процесса культивирования дрожжей 2.2.3.4 Факторы, влияющие на динамику выделения диоксида углерода при сбраживании сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства 2.2.3.4.1 Изучение процесса с использованием дрожжей XII, 987-О, 987О-5 2.2.3.4.2 Изучение процесса с использованием сухих спиртовых дрожжей 2.2.3.5 Сравнительный анализ образцов зрелой бражки 2.2.3.6 Сравнительный анализ содержания вредных летучих примесей в образцах зрелой бражки 2.2.3.7 Оптимизация процесса сбраживания сусла из возвратных 2.2.4 Разработка аппаратурно-технологической схемы производства этанола на основе получения и сбраживания сусла из возвратных Актуальность темы.

Решение проблем, связанных с экологической обстановкой, и конечная продукция, стоимость и качество которой полностью соответствует требованиям потребителей и определяет ее конкурентоспособность, являются неотъемлемыми критериями успешной работы предприятия в условиях жесткой рыночной конкуренции.

Оценка ситуации, складывающейся в спиртовой отрасли России, показывает, что основным сырьем при производстве этанола являются различные виды зерновых культур, лидирующее место при этом отводится пшенице и ржи.

Зерновые ресурсы относятся к широко востребованному многофункциональному сырью, что приводит к конкурентной борьбе с другими потребителями, вследствие чего спиртовые заводы могут испытывать трудности с поставками сырья. В целом спиртовая отрасль характеризуется низкой рентабельностью, значительной энерго- и материалоемкостью и серьезной сырьевой зависимостью.

Данный факт подтверждает перспективность расширения сырьевой базы отрасли за счет вовлечения в производство нетрадиционных видов сырья, что позволяет нивелировать риски при закупке сырья.

Одним из новых перспективных видов сырья могут быть возвратные отходы хлебопекарной отрасли, в частности пшеничный хлеб, нереализованный в торговой сети и брак, образующийся на хлебозаводе. Переработка данного сырья в этанол не только может расширить сырьевую базу спиртовых предприятий, но и позволит решить проблему утилизации отходов хлебопекарной отрасли.

Возвратные отходы хлебопекарного производства, так же как и традиционное зерновое сырье, относятся к крахмалсодержащему. Однако, биохимический состав данного вида сырья существенно отличается в связи с тем, что компоненты пшеничной муки подвергаются глубоким изменениям в ходе технологических процессов производства хлеба. Специалистам спиртовой отрасли известно, что выход и качественные характеристики этанола зависят от исходных свойств сырья, определяются способами и режимами получения и сбраживания сусла. Исходя из этого, производство этанола из нового вида сырья требует проведения исследований на отдельных этапах его переработки.

Основываясь на вышеперечисленном, можно заключить, что исследования, направленные на разработку научных и практических основ создания новой технологии этилового спирта из возвратных отходов хлебопекарного производства являются актуальными и перспективными.

Цели и задачи исследований.

Цель данной работы – разработка технологии этанола на основе проведения комплексных исследований изучения свойств нового для спиртовой отрасли вида сырья, процессов получения из нетрадиционного сырья сусла и его сбраживания с учетом особенностей развития спиртовых дрожжей.

В соответствии с обозначенной целью были поставлены следующие задачи:

провести комплексные исследования по изучению биохимических и микробиологических характеристик нового вида сырья – возвратных отходов хлебопекарного производства, по результатам которых выявить перспективность использования их в качестве сырья для производства этилового спирта;

разработать режимы и технологические параметры водно-тепловой и ферментативной обработки нового вида сырья;

изучить влияние состава сусла, полученного из нового и традиционного вида сырья, на развитие спиртовых дрожжей;

обосновать выбор расы спиртовых дрожжей, используемой в виде чистой культуры и сухих, для сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства;

определить факторы, оказывающие влияние на сбраживание сусла; провести сравнительный анализ образцов зрелой бражки на содержание этилового спирта и летучих примесей;

провести оптимизацию процесса сбраживания осахаренного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства;

разработать аппаратурно-технологическую схему производства этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Научная новизна.

Выявлены существенные отличия в углеводном и белковом комплексах, а также реологических и микробиологических характеристиках нового вида сырья в сравнении с традиционным зерновым сырьем, положенные в основу научного обоснования режимных параметров получения сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Установлена взаимосвязь показателей качества осахаренного сусла и режимных параметров водно-тепловой и ферментативной обработки нового вида сырья.

На основании проведения модельных опытов, впервые выявлены различия в минеральном составе сусла, полученного из традиционного и нового вида сырья, позволившие обосновать влияние состава сусла на развитие спиртовых дрожжей.

Получены новые научные данные о минеральном составе и содержании свободных аминокислот в водорастворимой фракции трех рас сухих спиртовых дрожжей, научно обосновывающие эффективность применения дрожжей расы Fermiol.

Выявлена корреляционная зависимость между биохимическими показателями сусла и основными факторами, влияющими на процесс сбраживания, на основании которой рекомендовано использовать ферментный препарат протеолитического действия Алкалазу 2,4 L FG и расы дрожжей: 987-Ои сухие Fermiol.

Впервые исследован состав бражки, полученной при сбраживании сусла из нового вида сырья, по содержанию этилового спирта и вредных летучих примесей. Проведена оптимизация технологического процесса.

Практическая значимость.

Экономически обоснована перспективность использования для производства этилового спирта нового нетрадиционного вида сырья – возвратных отходов хлебопекарного производства. Преимуществами данного вида сырья по сравнению с традиционными являются:

- повышенное на 7-13 % содержание основного ценного компонента – крахмала и его большая доступность к ферментативному гидролизу;

- меньшее содержание кислотообразующих микроорганизмов, ответственных за нарастание кислотности сбраживаемой среды;

технологического процесса стадию дробления сырья.

хлебопекарного производства, позволяющая упростить технологический этап производства сусла, исключив стадии получения помола, обработки сырья при температуре 45-50 °С, сократив продолжительность на стадии получения сусла с до 2,5 часов, снизить норму внесения разжижающего ферментного препарата с 1,0-2,0 ед. АС до 0,5 ед. АС/г условного крахмала сырья; интенсифицировать процесс сбраживания, повысить на 1,0 – 1,5 дал выход спирта из тонны условного крахмала. Технические решения, положенные в основу разработанной технологии, защищены патентом РФ № 2473693.

Проведена опытно-промышленная апробация новой технологии в условиях ГУП Московский опытный завод Россельхозакадемии.

Разработан и утвержден опытно-промышленный регламент получения спирта из возвратных отходов хлебопекарного производства ОПР 01-07542709По результатам опытно-промышленных испытаний рассчитана условногодовая экономия от снижения себестоимости продукции по разработанному варианту, которая для спиртового завода мощностью 3000 дал/сут. составила 10,65 млн. руб.

1.1 Технико-экономические аспекты производства пищевого этилового Современное состояние спиртовой отрасли Российской Федерации характеризуется сильной зависимостью не только от регуляционных процессов, проводимых государственными органами и заключающихся в надзоре и контроле за качеством производимого этилового спирта, соответствием современным нормам производственной и экологической безопасности предприятий и многим другим параметрам, но и от конъюнктурных изменений рынков сырьевых и энергетических ресурсов, ситуации, связанной с реализацией готовой продукции предприятий, а также многих других факторов.

Структура основных производственных затрат при промышленном получении этанола, несмотря на постоянное колебание цен на сырье и энергоносители остается относительно стабильной. Наибольшая часть затрат в процентном выражении приходится на сырье и составляет около 55-65% [58].

Традиционно зерно занимает основную долю сырьевых ресурсов при производстве этанола, как в Российской Федерации, так и рубежом [131, 150, 155]. В России зерновые культуры занимают порядка 57% всей посевной площади сельхозкультур. В том числе, треть этих площадей приходится на озимые зерновые культуры и две трети – на яровые.

В 2012 году по данным материалов Федеральной службы государственной статистики урожай зерновых культур в Российской Федерации составил 70, млн. тонн, показав снижение на 24,7% по сравнению с 2011 годом. Рассматривая данную ситуацию в разрезе, следует отметить снижение урожая по всем культурам за исключением кукурузы, ее производство возросло на 18 % по сравнению с 2011 годом и составило 8,21 миллионов тонн. Так урожай пшеницы в 2012 году снизился на 32,9 % до 37,72 миллионов тонн, ячменя – на 17,6 % до 13,952 миллионов тонн. Производство ржи сократилось на 28,2 % до 2, миллионов тонн, овса – на 24,5 % до 4,027 миллионов тонн, риса – на 0,3 % до 1,052 миллионов тонн, гречихи на 0,5 % до 796,6 тысяч тонн, тритикале – на 11, % до 464,7 тысяч тонн, а проса – на 62 % до 333,6 тысяч тонн [95]. Исходя из того, что основным сырьем для отечественных спиртзаводов традиционно служит зерно пшеницы, ржи и ячменя, можно заключить о сокращении потенциальной сырьевой базы на текущий период более чем на 26 %.

Одним из важных параметров, оказывающих регулирующее воздействие на внутренний зерновой рынок, является цена на зерно. За последние годы следует отметить существенные колебания внутренних цен на зерновые ресурсы:

снижение до значений, приводящих к убыточности, или достижение мировых цен. Так за второе полугодие 2012 года колебание цен на пшеницу происходило в диапазоне приблизительно от 7 до 12 тысяч рублей за тонну с тенденцией к постоянному росту.

Зерновые ресурсы относятся к многофункциональному сырью, в виду чего, производители этанола довольно часто испытывают трудности со снабжением изза конкуренции с другими потребителями в ценовой политике. Недостаточная обеспеченность кондиционным основным сырьем, в некоторых случаях вынуждает спиртзаводы перерабатывать дефектное зерно, невостребованное другими потребителями [28]. Однако данный факт, приводит к снижению производительности, снижению качества этилового спирта и увеличению технологических затрат для выработки конечного продукта, соответствующего государственным стандартам.

Современная действительность рыночной экономики, характеризующаяся жесткой конкуренцией, предопределяет успешную работу предприятий только при выработке продукции, удовлетворяющей требования потребителей по двум пунктам: качество и цена, напрямую зависящая от себестоимости продукта.

Несоответствие даже одному из них лишает ее конкурентоспособности, а следовательно приводит и к снижению экономических результатов предприятия.

Один из путей повышения рентабельности производства этилового спирта и снижения зависимости предприятий от колебаний, затрагивающих зерновые ресурсы, заключается в поиске альтернативных сырьевых ресурсов. Одним из новых перспективных видов сырья в соответствие с его биохимическим составом могут быть возвратные отходы хлебопекарной отрасли – пшеничный хлеб, не реализованный в торговой сети или брак, образующийся на хлебозаводах.

1.2 Сравнительная характеристика биохимического состава и микробиологических характеристик традиционных и нетрадиционного Основное крахмалсодержащее сырье спиртового производства в настоящее время представлено различными видами зерна, преобладающими культурами являются пшеница, рожь и ячмень. Морфологическое строение и состав зерна злаковых культур, исследовавшиеся в течение долгого времени, являются хорошо изученными.

Установлено, что зерновка различных видов злаковых принципиально одинаково устроена и включает три основные части: зародыш, эндосперм и оболочки. Зерно ячменя, помимо вышеуказанного, содержит цветочные пленки, в виду чего относится к пленчатым культурам, а рожь и пшеница – к голозерным.

Эндосперм, сосредотачивающий в себе основное количество крахмала зерна и доля которого составляет 70-80% от массы зерновки, представляет наибольшую гемицеллюлоз и зольных элементов в нем минимально, по причине особенностей строения. Ткани эндосперма в основном построены тонкостенными клетками.

Напротив, оболочки и зародыш зерна, характеризуются повышенным содержанием некрахмальных полисахаридов, белков и липидов. Эти химические соединения с позиции классической технологии этанола относятся к балластным веществам, так как не дают повышения выхода этанола из 1 единицы сырья, а наоборот, могут привести к снижению этого показателя и ухудшению качественных характеристик этилового спирта [66, 67, 152].

составляющей зернового сырья является крахмал, изучению которого посвящено большое количество работ [7, 8, 19, 81, 139, 178].

Крахмал, сосредоточенный в эндосперме, находится в нем в виде крахмальных гранул, определенной формы и размера, заключенных в белковую оболочку [7]. Крахмальные гранулы пшеницы, ржи и ячменя наиболее похожи среди крахмалсодержащих культур. Они имеют концентрические слои с полостью от которой расходятся трещины, характеризующиеся звездообразной формой [173]. Содержание крахмала в пшенице составляет 48-57 %, в ржи – 46- %, в ячмене – 43-55 % [7, 8, 176].

Специфичность нативных крахмалов пшеницы, ржи и ячменя заключается в бимодальном распределении гранул по размерам, характеризуемом присутствием гранул двух фракций: крупной (крахмал А) и мелкой (крахмал Б). Подобное распределение влияет на свойства гранул (термодинамические и функциональные), их структуру, концентрацию амилозы [7, 8, 178].

Деструкция крахмала – это основной процесс подготовки зерна к сбраживанию с целью получения этилового спирта. Поэтому, факторы, способные влиять на данный процесс, имеют большое значение. Одним из них является соотношение основных полисахаридов крахмала: амилозы и амилопектина, среднее значение которого для крахмалов зерна составляет 1:3 [7, 81].

Возрастание доли амилозы оказывает влияние на реологические свойства крахмала. Повышается растворимость в воде и способность к ретроградации, вязкость клейстеров и степень набухания, напротив, понижаются [131, 158].

Технологические свойства крахмала также во многом зависят от его взаимодействия с другими компонентами зерна. Так фосфаты, включаемые в крахмал в период образования зерна, увеличивают его загущающую способность и вязкость клейстеров. Максимальной концентрацией фосфатов характеризуется зерно пшеницы [7].

Содержащиеся в зерне жиры могут вызывать образование амилознолипидных комплексов, что приводит к уменьшению растворимости крахмала и набухательной способности его гранул [165]. Деструкция липидов при обработке сырья негативно сказывается на качестве готового продукта, так как происходит образование непредельных соединений, таких как акролеин и кротоновый альдегид [64].

Белковые вещества способны взаимодействовать с полисахаридами крахмала, вызывая возрастание температуры клейстеризации и снижение вязкости перерабатываемых сред, а также повышать стабильность крахмала в отношении воздействия ферментов, то есть выполнять экранирующую функцию [66, 68, 86, 151].

Аналогичные свойства характерны для некоторых групп некрахмальных полисахаридов, таких как слизи. Существует мнение [7, 180], что данные вещества представляют собой растворимые в воде гетерополисахариды, состоящие из пентозанов и гексозанов. Гидратация слизей приводит к значительному увеличению их объема – до 8 раз. Слизи, содержащиеся в зерне ржи, способны образовывать стойкие соединения с белковыми веществами, в виду наличия сильноразветвленной арабаноксилановой фракции [36].

Использование в качестве сырья ячменя и ржи для производства этилового спирта вызывает большие трудности, чем применение пшеницы, так как эти культуры содержать почти вдвое большее количество слизистых веществ, при растворении дающих вязкие растворы и способных образовывать нерастворимые комплексы с белками [51, 99, 172, 180].

Распределение белков между морфологическими составляющими зерновки не равномерно и зависит от вида культуры, сорта и условий выращивания.

Основное количество сосредоточено в эндосперме (65-75 %), на зародыш и алейроновый слой приходится около 22 и 15,5 % соответственно [56].

Белки эндосперма представлены альбуминами, глобулинами, проламинами и глютелинами. В зародыше и алейроновом слое находятся белки выполняющие каталитические функции – альбумины и глобулины. Основная часть белков эндосперма (около 80%) – это запасные белки – проламины и глютелины.

Глобулины и альбумины эндосперма, в основном, входят в состав мембран органелл клеток и являются частью протеидов – сложных белков [96].

1.2.1 Углеводно-белковый состав пшеничного хлеба Хлеб – это пищевой продукт, получаемый посредством выпечки теста, разрыхленного дрожжами. При производстве пшеничного хлеба большинство компонентов, входящих в состав зерна пшеницы, переходит в муку, а затем изменяется в процессе производства хлеба. На каждом этапе технологического процесса происходят сложные биохимические, микробиологические, физикохимические и коллоидные процессы с непосредственным участием компонентов муки, а соответственно и исходного зерна [11, 63, 102, 136].

С позиции питания наиболее ценными компонентами пшеничного хлеба являются белки. Их содержание находится в диапазоне от 5,6 до 9,0 г на 100 г в зависимости от вида хлеба и сорта используемой муки [102].

Концентрация жиров в хлебе, полученном из пшеничной муки, а также состав жирных кислот зависит от используемой рецептуры и может колебаться в пределах от 0,8% до 10,8 % [11, 102, 136].

Хлеб представляет собой продукт с высоким содержанием углеводов – от до 54 г на 100 г изделия, состав которого зависит от рецептуры, при этом наибольший удельный вес принадлежит крахмалу. Некрахмалистые полисахариды содержатся в пределах от 2,1% до 8,3% в зависимости от рецептуры [11, 102, 136].

При сравнении с используемой при производстве мукой, в составе пшеничного хлеба наблюдается повышенное содержание некоторых минеральных солей (натрий, железо и др.) из-за добавления минеральных солей при замесе теста [11, 15, 61, 102, 136].

Процесс производства хлеба включает следующие технологические стадии:

подготовка и дозирование сырья, замес, брожение и разделка полуфабрикатов, выпечка, укладка, хранение и транспортировка с целью реализации.

Каждый этап производства сопровождается набором сложных процессов, микробиологические, физико-химические и коллоидные [11, 102, 136, 138].

Приготовление теста является одной из основополагающих операций технологического процесса. Во время замеса теста твердые компоненты смешивают с водой в заданных рецептурой пропорциях, при этом частицы муки начинают впитывать влагу за счет набухания полимеров входящих в ее состав.

Основная роль в данном процессе принадлежит крахмалу, как компоненту с механическом воздействии образуют трехмерную губчато-сетчатую структуру – нерастворимые компоненты теста, в том числе крахмальные гранулы и пузырьки воздуха, захватываемые при замесе. Также следует отметить значение растворимых и нерастворимых пентозанов. Последние способны при набухании поглощать десятикратное количество воды по массе в виду их высокого уровня гидрофильности. Растворимые пентозаны образуют во много раз более вязкие растворы в сравнении с растворимыми белками за счет большего потребления воды [11, 102, 136, 138, 146].

Пшеничное тесто содержит 0,29-0,35 г связанной воды на 1 г сухих веществ, что составляет приблизительно 35 % от ее общего количества. Оставшаяся доля добавляемой воды находится в свободном состоянии. Именно наличие свободной воды создает условия для протекания биохимических процессов.

Спиртовое брожение, вызываемое дрожжами, является основополагающим процессом в технологии пшеничного хлеба. При этом оно находится в неразрывной зависимости от протекающих гидролитических ферментативных процессов.

Под влиянием -амилазы пшеничной муки происходит накопление мальтозы за счет гидролиза частично деполимеризованного крахмала. Образующаяся мальтоза служит основным источником углеводного питания дрожжей и других микроорганизмов [11, 102, 136].

Процесс брожения теста вызывает нарастание общей кислотности и концентрации ионов водорода, обусловленное комплексом биохимических реакций, вызванных развитием микробиоты и ферментами сырья на его структурные компоненты. При этом происходит накопление органических кислот – побочных продуктов брожения, выделение кислых фосфатов при гидролизе фосфорорганических соединений, а также растворение углекислого газа с образованием угольной кислоты [11, 102, 121, 122, 136].

Кислоты оказывают влияние на структуру и состояние белков, увеличивая их гидрофильность, способствуя набуханию и пептизации, изменяя активность белков, выполняющих каталитические функции.

Брожение приводит к значительным изменениям в белковой фракции.

Параметры технологического процесса, активность протеолитических ферментов, содержание глютатиона в восстановленной форме, окислительновосстановительный потенциал, активная кислотность и концентрация среды влияют на степень изменения белковых компонентов полуфабрикатов.

Протеолиз приводит к дезагрегации белковых молекул, изменяется их четвертичная и третичная структуры, образуется небольшое количество продуктов глубокого распада [102].

Процесс выпечки также оказывает серьезное воздействие на белковые компоненты. За счет увеличения температуры возрастает ферментативная атакуемость белков. Достижение температуры 70 °С приводит к термической денатурации белков. Происходит снижение содержания водорастворимых азотсодержащих соединений в тестовых заготовках на 50-70% [11, 84, 102, 136].

1.2.2 Особенности микробиоты зернового сырья и пшеничного хлеба Известно, что в настоящее время основным сырьем при производстве спирта является зерно злаков, одной из характеристик которого является микробиологическое состояние. Данный параметр имеет особое значение при использовании низкотемпературных способов переработки зерна, по причине того, что микроорганизмы контаминирующие технологический процесс производства спирта являются вредителями производства [20, 40, 79].

Основными источниками микроорганизмов на зернах злаков являются, заключающихся в недостатке влаги и питательных веществ, на поверхности неповрежденного зерна злаков способны развиваться только эпифитные микроорганизмы, неспособные проникать в ткани растений и оказывать негативное воздействие. Видовой состав и численность микробиоты зерна зависят от внешних условий во время культивирования, сбора и хранения урожая злаков.

На поверхности зерновки постоянно присутствуют бактерии родов Erwinia и Pseudomonas, являющиеся типичными эпифитами. Зерно злаковых культур также содержит полевые грибы родов Fuzarium, Alternaria, Helminthosporium и др. [90, 119, 120].

Число бактерий, присутствующих на зерне при однофазной уборке урожая, варьируется в пределах 30-4000 тысяч клеток на 1 г, при двухфазной от 2,6 до 73.

Для мицелиальных грибов значения составляют 0,6-2,0 и 0,8-4,0 тысячи на 1 г соответственно. Дефектное зерно характеризуется значительно более высоким количеством микроорганизмов [120].

Во время хранения зерна происходит постепенное уменьшение количества полевых мицелиальных грибов и развитие мицелиальных грибов хранения, к которым относятся рода Aspergillus, Penicillium, Rhizopus. Данные микроорганизмы могут являться причиной самосогревания и порчи зерна при нарушении режимов хранения [90, 104, 119, 120].

Повреждение покровных тканей зерновки является причиной повышенного алейроновый слой и эндосперм. Нарастание субэпидермальной микробиоты микробиологического характера существуют различные методы предобработки сырья с повышенной микробиологической обсемененностью [43].

При производстве хлеба протекают микробиологические процессы, необходимые для достижения требуемых качественных характеристик готового продукта. Помимо необходимых микроорганизмов имеет место развитие в полуфабрикатах посторонней микробиоты, источником которой служат сырье, воздух и технологическое оборудование. Посторонние микроорганизмы способны оказывать негативное воздействие на качество хлеба и вызывать микробиологическую порчу, называемую болезнями хлеба [11, 102, 136, 147] Болезни хлеба – это изменения, происходящие в готовом изделии под воздействием микроорганизмов, делающие пшеничный хлеб непригодным для употребления и переработки в пищевых производствах.

Микробиота готовых изделий хлебопекарного производства включает микроорганизмы, инфицирующие поверхность хлеба, а также микроорганизмы, сохранившиеся в мякише хлеба. Наиболее распространенными видами микробиологической порчи являются картофельная болезнь хлеба и плесневение хлеба [101].

Самым распространенным заболеванием хлеба является картофельная болезнь, поражающая мякиш пшеничного хлеба, после чего он теряет свой естественный вкус, цвет и запах, становится липким и тягучим. Возбудителями картофельной болезни хлеба являются спорообразующие бактерии Вacillus subtilis – «картофельной» палочки [18, 93, 121, 122]. Ее вегетативные клетки погибают при температуре 75...80 °С, однако споры могут оставаться жизнеспособными при нагревании до 120 °С в течение часа. Благоприятными условиями для развития спор являются повышенная влажность, температура 40°С и значение pH в диапазоне от 5 до 10. Вacillus subtilis попадает в муку в процессе размола зараженного при уборке зерна, также источником контаминации могут являться отруби, соевая мука, прессованные дрожжи и др. [93].

Плесневение – это самый распространенный вид микробиологической порчи пшеничного хлеба. Данный процесс в основном вызывается мицелиальными грибами родов Аspergillus (А.flavus, А. осhraces, А. fumigatus), Реnicillium (Р.

Ехраnsum, Р.crustosum), Мucor (М.mucedo, М.pusius, М.spinosus) и другими.

Мицелиальные грибы сначала развиваются на поверхности хлеба, а затем, через трещины, распространяются внутрь мякиша.

К редким болезням хлеба относятся «красная» болезнь хлеба, вызываемая неспорообразующей бактерией Chromobacterium prodiogiosum; меловая болезнь, причиной которой становятся дрожжеподобные грибы Endomycopsis fibuliger и Endomyces chodacii; а также образование окрашенных пятен под действием дрожжеподобных грибов Oidium aurantiacum, Ascosporium roseum и других видов [11, 102, 136].

1.3 Отходы хлебопекарного производства и традиционные пути их Хлебопекарная промышленность является одной из ведущих отраслей агропромышленного комплекса. В настоящий момент хлебопекарная отрасль определяется как одна из наиболее динамично развивающихся отраслей пищевого комплекса АПК. Для хлебопекарного производства характерен высокий уровень механизации и автоматизации, современные системы качества и безопасности, широкий ассортимент производимой продукции, а также разнообразие и сложность свойств используемого сырья [59, 137].

Производство хлеба является сложным технологическим процессом, результат которого зависит от широкого круга факторов. Некачественное сырье, сбои производственного процесса, ошибки персонала и многое другое приводит к получению бракованной продукции – дефектного хлеба, не отвечающего требуемым показателям качества и потребительским свойствам [11, 102, 136] Появление дефектов хлеба в большинстве случаев обуславливается несоответствующим качеством муки и отклонением режимов технологического процесса на одном из этапов производства, хранения и транспортировки.

Применение муки несоответствующего качества приводит к таким дефектам хлеба как посторонний запах, горький, полынный вкус, хруст на зубах, бледная поверхность корки, липкость и сыропеклость мякиша, пониженный объем и расплываемость подового хлеба, а также недостаточная пористость изделий [11, 38, 102, 136, 146].

Появление полынного вкуса и постороннего запаха может быть в некоторой степени предотвращено только во время подготовки зерна и в процессе помола.

Причиной хруста на зубах является попадание песка в муку. Появление данного дефекта также как и не характерного для хлеба вкуса и запаха возможно только в случае ошибки производственной лаборатории.

Наибольшее значение из дефектов хлеба, вызываемых свойствами муки, имеют вызываемые морозобойностью, прорастанием и повреждением зерна клопом-черепашкой (Eurygaser integriceps Put).

Производство хлеба из муки, получаемой из зерна, пораженного клопомчерепашкой, приводит к образованию расплывшейся готовой продукции с пониженной пористостью и объемом. Хлеб имеет сероватый цвет мякиша, на верхней корке наблюдаются мелкие трещины. Причиной является ухудшение реологических свойств, водопоглотительной и газоудерживающей способностей теста.

Прорастание зерна приводит к повышению активности ферментов, особенно амилаз. Качество хлеба производимого с использованием пшеничной муки из проросшего зерна или с его примесью не соответствует требованиям. Пшеничный хлеб имеет повышенную расплываемость, липкий мякиш пониженной эластичности и темного цвета, характеризуется сладковатым вкусом и краснобурой окраской корки.

Муке из морозобойного зерна характерны повышенная амилолитическая активность, особенно -амилазы, высокое содержание клетчатки, сахаров и золы.

Хлеб из такой муки получается с низкой пористостью и солодовым привкусом, заминающимся мякишем темного цвета.

Нарушение технологии на определенных стадиях производства вызывают разнообразные дефекты пшеничного хлеба [11, 102, 136].

Неправильное дозирование муки, воды, дрожжей, соли и дополнительного сырья влияют на качество готового продукта. Из теста повышенной влажности получается хлеб с влажным, липким мякишем крупной пористости. Он имеет расплывчатую форму, плоскую верхнюю корку. При недостаточной дозировке поваренной соли мякиш липкий и не полностью пропеченный.

По причине недостаточной длительности замеса теста или некорректной работе тестомесильного оборудования в мякише могут появляться комочки муки.

Чрезмерная длительность замеса теста при слабой клейковине муки ухудшает его реологические свойства. Хлеб получается низкого объема и расплывчатой формы [11, 102, 121, 136, 138, 167, 177].

Недостаточная продолжительность брожения теста вызывает интенсивное окрашивание корки с характерными темноокрашенными вздутиями, при этом мякиш имеет дрожжевой привкус и недостаточную кислотность, липковатый и заминающийся. Корка может отслаиваться от мякиша, иметь подрывы и трещины.

Неправильная разделка тоже приводит к дефектам хлеба. При недостаточной механической обработке во время округления и закатки мякиш имеет неравномерную пористость, с отдельными крупными порами и пустотами.

Понижение объема изделий и отсутствие равномерной пористости происходит при отсутствии операции округления заготовок. Изделия получаются неправильной формы [87]. Отклонение технологических режимов на стадии расстойки приводит к тому, что изделия получаются несоответствующей формы, имеют разрывы и неравномерную пористость [171]. Удары тестовых заготовок приводят к отслаиванию корки от мякиша и его разрывам [5, 11, 102, 136].

Нарушение режимов выпечки хлеба обуславливает такие дефекты как образование толстой или подгорелой корки, непропеченного мякиша, трещин, вздутий и темных пятен на корке. Небрежное отношение при выемке горячего хлеба может быть причиной отслаивания корки. При неправильном перемещении и хранении хлеба после выпечки, в основном, образуются механические повреждения хлеба, возможно увеличение влажности корки при неправильной укладке [136, 141].

Продукция хлебопекарного производства и пшеничный хлеб в частности характеризуется резким ухудшением потребительских свойств в процессе хранения. Приблизительно через 10-12 часов после выпечки хлеб начинает проявлять признаки черствения, которые усиливаются по мере хранения [11, 105]. Этот факт приводит к появлению «черствого возврата» из торговых сетей.

По причине несвоевременной отправки в торговую сеть черствые изделия также накапливаются на хлебопекарных предприятиях. Утративший потребительские свойства хлеб, не имеющий загрязнений, посторонних включений и плесени, поступает в переработку. Также переработке подвергается дефектный и деформированный хлеб с производства, образование которого происходит из-за низкого качества сырья, нарушения технологического процесса, некорректной работы технологического оборудования и неправильной транспортировки.

Количество бракованной продукции может достигать более 2% от общей выработки [60, 140].

Существуют следующие способы использования черствого хлеба и производственного брака, основная цель которых заключается в экономии хлебных ресурсов. На хлебопекарных предприятиях хлеб, полученный из пшеничной сортовой муки, перерабатывается в сухарную муку (панировочные сухари) и хлебную крошку, хлеб из обойных сортов муки используется для получения мочки и хлебной крошки [103].

Мочка представляет собой смесь хлеба с водой или молочной сывороткой в соотношении 1:2, получаемую протиранием через сито с размером ячеек 5 мм, либо пропусканием через специализированную машину для ее переработки.

Мочка используется при замесе теста и приготовлении жидкой закваски.

Оптимальная дозировка зависит от вида изделия и составляет 2,5 – 10,0% к массе муки. Применение мочки запрещено при производстве хлеба из пшеничной муки 1 и высшего сортов. Допускается добавление до 2% к массе муки тонкодисперсной гомогенной аэрированной мочки при производстве хлебобулочных изделий из муки 1 сорта [82].

Для получения продукта пригодного для длительного хранения бракованный и черствый пшеничный хлеб перерабатывается в панировочные сухари и хлебную крошку, получаемую путем дробления, сушки и последующего измельчения.

Использование сухарной крошки возможно в производстве хлеба из сортовой муки в количестве 1,0-1,5% к массе муки. Однако качество такого хлеба ниже, чем произведенного традиционным способом без применения возвратных отходов [29, 32, 85].

Одним из распространенных способов переработки возвратных отходов хлебопекарной промышленности (дефектного и черствого хлеба) не содержащих жировых продуктов является производство панировочных сухарей (сухарной муки). Они используются при выработке подового хлеба для посыпки транспортерных лент, а также реализуются населению как готовый продукт через торговую сеть. В мясомолочной и пищевой промышленности, а также на предприятиях общественного питания сухарная мука используется как адгезионный материал, добавляемый в производимую продукцию [97].

Сухарная мука может использоваться как сырье для создания новых продуктов длительного хранения и кондитерских изделий [29, 73, 103].

Одним из способов переработки возвратных отходов хлебопекарного производства является микробиологическая конверсия с целью получения углеводно-белковых кормовых добавок. При этом сложные полисахариды подвергаются гидролизу посредством комплексных ферментных препаратов с последующей биоконверсией в легкоусвояемый кормовой белок [37].

В случаях, когда дефектный и черствый хлеб, по каким либо причинам, не подвергается переработке, он подлежит утилизации. Возвратные отходы хлебопекарного производства имеют 5 класс опасности воздействия на окружающую среду [22, 37].

Утилизируемый пшеничный хлеб может быть использован в качестве удобрения при непосредственном внесении в почву или с предварительным компостированием. Возвратные отходы хлебопекарного производства могут вывозиться на полигоны или подвергаться сжиганию, однако данные методы сопряжены с дополнительными расходами в виде пошлин и транспортных услуг, а также негативно сказываются на экологической обстановке, вызывая химическое и микробиологическое загрязнение окружающей среды [37].

1.4 Технологические стадии переработки крахмалсодержащего сырья В настоящее время на отечественных спиртовых заводах наиболее перспективным считается механико-ферментативный способ переработки зерна [10, 65, 91].

По типовому Регламенту [132] очищенное от примесей зерно в молотковой дробилке измельчается до значения прохода через сито 1мм 80-85%. Затем смешивается с водой в соотношении 1:3 (1:4) и ферментным препаратом амилазы. В смесителе температура поддерживается на уровне 50 °С (пауза). Далее замес с помощью контактной головки, нагреваясь до 70-75 °С, подается в аппарат ГДФО-1, где, непрерывно перемешиваясь, выдерживается 120-150 мин. (пауза).

Затем замес непрерывно подается в аппарат ГДФО-2, где замес нагревается до 92С и выдерживается 90-120 мин. (пауза) при перемешивании в непрерывном потоке. Из аппарата ГДФО-2 масса подается в паросепаратор. Охлажденная до 56С масса поступает в осахариватель где выдерживается в течение 30 мин.

Затем осахаренное сусло перекачиваетсяя в бродильное отделение, охлаждаясь до температуры складки.

Совокупная длительность водно-тепловой и ферментативной обработки составляет 3-5 часов. Дозирование растворов ферментных препаратов проводится на 1 г условного крахмала сырья в зависимости от активности (1,5-2,0 ед. АС или 0,1-0,2 ед. АС - для термостабильных - во время замеса или в ГДФО-1; 6,0-6,5 ед.

ГлС в осахариватель) [132].

1.4.1 Влияние вида сырья на затраты при получении помола Как уже упоминалось ранее, наиболее распространенным сырьем для спиртовой промышленности является зерно злаковых культур. Изначально в технологии спирта зерно подвергалось развариванию периодическим способом под воздействием высоких температур в целом виде, однако данный способ обладал рядом серьезных недостатков, таких как низкое качество бражки, низкий выход спирта и значительные энергозатраты. Переход на непрерывные схемы производства спирта, позволяющие повышать эффективность производства, предусматривает введение в технологический процесс стадии дробления зерна, имеющей особенно важное значение для способов разваривания сырья при температуре ниже 100 °С, предъявляющих особые требования к качеству помола [1, 47, 184].

измельчительные машины ударного типа, а именно роторные и молотковые дробилки, где измельчение осуществляется за счет удара частиц о поверхность корпуса. В результате получают помол, характеризующийся в среднем 60-70% проходом через сито с диаметром отверстий 1,0 мм [24, 42]. Их недостатком является низкая эффективность измельчения и снижение КПД машины. Также следует отметить резкое повышение удельного расхода электроэнергии при необходимости получения размера частиц менее 1,0 мм [118, 165].

С целью получения более равномерных и высокодисперсных помолов сырье измельчается при помощи сложных комбинированных систем, включающих измельчители и просеиватели. При этом получают помол с 75 – 80% проходом через сито с диаметром отверстий 1,0 мм [42, 74, 94, 159].

Характеристики измельчаемого материала имеют значительное влияние на процесс дробления. С позиции структурных особенностей зерно является сложным сырьем, так как отдельные части зерновки имеют различные химические и физические свойства, что сказывается на их прочностных свойствах. Различные анатомические части зерновки обладают отличающимися от других частей физическими и химическими показателями, имеют характерные им прочностные свойства (упругость, твердость, степень сопротивляемости разрушению и деформированию и другие реологические характеристики) [74].

Технологические проблемы, связанные с крупностью помола, могут частично решаться на стадии получения сусла посредством применения роторнопульсационных аппаратов (РПА), доказавших свою эффективность в технологии этанола [41, 127]. Данные устройства бывают проходного и погружного типа [114] и комбинируют принципы работы таких аппаратов как дисмембраторы, дезинтеграторы, коллоидные мельницы и центробежные насосы.

Следует отменить, что применение в качестве сырья для получения этанола возвратных отходов хлебопекарного производства, в виду реологических свойств пшеничного хлеба, позволяет полностью исключить стадию дробления сырья и сократить затраты энергии на данном этапе технологического процесса.

1.4.2 Особенности получения осахаренного сусла из различных видов Водно-тепловая обработка сырья в производстве этанола служит для перевода нативного крахмала, который не подвергается либо незначительно подвергается осахариванию ферментами, в доступное состояние для осахаривания и сбраживания, при этом он проходит стадии клейстеризации и растворения. На настоящий момент непрерывное разваривание измельченного зернового сырья под избыточным давлением с дальнейшим осахариванием крахмалсодержащего сырья к сбраживанию. При этом длительность и температура проведения процесса зависит от вида и качества сырья. Данный способ получения осахаренного сусла является хорошо изученным и широко описан в литературе [131].

При этом, высокотемпературная обработка сырья вызывает ряд негативных процессов, основным из которых является потеря свободных сахаров, способных реагировать с аминокислотами и подвергаться оксиметилфурфурольному разложению, при этом ухудшая качество товарного этилового спирта [131].

Гидролиз пектинов, содержащихся в клеточных стенках, приводит к образованию метанола – наиболее токсичной и трудноотделимой примеси спирта. Деградация жиров вызывает образование непредельных соединений – акролеина, кротонового альдегида и др. [154].

Современные тенденции совершенствования процесса получения осахаренного сусла – по причине вышеизложенных недостатков – направлены на переход к мягким режимам подготовки крахмала сырья к сбраживанию без применения избыточного давления и температуры выше 100 °С [3, 33, 100, 133, 143, 160, 169, 175].

Так в случае механико-ферментативного способа обработки сырья с участием ферментов микробного происхождения на каждом этапе процесса создаются оптимальные условия для действия - и глюкоамилаз, необходимых для проведения гидролиза крахмала. При этом данная технология позволяет учитывать как специфичность перерабатываемого сырья, так и спектр ферментных препаратов возможных к использованию в спиртовой промышленности [16, 30, 31, 45, 99].

Зерно в отношении подверженности ферментативному гидролизу является сложным субстратом, в виду особенностей его биохимического состава, что приводит к необходимости увеличения эффективности его переработки за счет оптимизации характеристик получаемого сусла, особенно в случае использования таких культур как рожь и ячмень [14, 111, 145, 149]. Данные требования могут быть обеспечены за счет изменений, вносимых в технологический процесс.

К примеру, применение препаратов, содержащих цитолитические ферменты, и обеспечение оптимальных условий для их действия, позволяет гидролизовать некрахмальные полисахариды зерна, являющиеся потенциальными источниками сбраживаемых углеводов [80, 131, 181, 185]. Данный прием позволяет увеличивать выход спирта на 3-5%, а также облегчать проведение процесса за счет снижения вязкости перерабатываемых сред [14,80].

Следует отметить развитие направления по применению ферментных препаратов, содержащих протеазы грибного и бактериального происхождения [39, 80, 109]. Основной целью их введения в технологический процесс производства спирта является накопление в сусле низкомолекулярных азотсодержащих соединений, необходимых для питания дрожжей, улучшающих их жизнедеятельность, и, как следствие, интенсифицирующих спиртовое брожение [6, 47, 148, 179, 183].

Для наиболее полного использования собственных ферментов зерна ржи и пшеницы разработан способ «холодного» затирания при котором температура проведения процесса не превышает 62-68 °С. Однако, данный способ предъявляет особые требования к крупности помола и микробиологической чистоте процесса [69, 144].

крахмалсодержащего сырья показывают, что эффективность данного производственного этапа во многом зависит от вида перерабатываемого сырья.

При этом, каждый из них обладает своими особенностями, требующими определенных изменений технологического процесса для обеспечения его наибольшей эффективности.

1.4.3 Факторы, влияющие на процесс сбраживания сусла из Сбраживание сусла – это важнейший этап в технологии этилового спирта.

Именно на данной стадии производства, за счет ферментативного аппарата дрожжевых клеток, образуется конечный продукт. Осахаренное сусло из крахмалсодержащего сырья является сложной системой, включающей в состав помимо сбраживаемых сахаров (мальтоза и глюкоза) промежуточные продукты гидролиза крахмала, не участвующие в метаболизме дрожжей [106, 131, 153, 164, 170].

В процессе брожения моносахариды осахаренного сусла превращаются в спирт, происходит расщепление белков, декстринов и других соединений. При сбраживании осахаренного сусла соотношение скоростей этих реакций имеет важное значение и находится в зависимости как от состава среды, так от технологических характеристик дрожжей.

При производстве этилового спирта используются дрожжи Saccharomyces cerevisiae различных рас, при этом условия их жизнедеятельности определяются составом и технологическими параметрами сбраживания сусла.

До настоящего момента при сбраживании крахмалосодержащего сырья основной являлась раса XII [108, 131]. Тем временем, разработка современных технологий, заключающихся в использовании новых видов сырья, сокращении длительности технологических процессов, повышении концентрации перерабатываемых сред, а также ведении процесса при повышенных температурах, потребовало создания новых более физиологически активных рас дрожжей [110, 162, 163, 168] Известно, что во многом эффективность процесса сбраживания зависит от перевода декстринов, содержащихся в осахаренном сусле, в этанол, так как большинство рас дрожжей, в частности раса XII, не способны сбраживать их. Для гидролиза декстринов в сахара необходима эффективная работа глюкоамилаз осахаривающих препаратов, что может повлечь за собой повышение осмотической активности сбраживаемой среды с необходимостью использования осмофильных рас дрожжей и повышенный расход ферментных препаратов.

глюкоамилазной активностью (S. cerevisiae Y – 717) [2, 35] преимущества в росте мощности спиртовых заводов при существующем оборудовании, повышении крепости бражки, но и в уменьшении объема барды, проблемам утилизации которой в последнее время посвящено множество работ [21, 26, 27, 58, 71, 92, 128, 135, 156, 157]. Однако использование концентрированных сред негативно сказывается на метаболизме дрожжевых клеток. По этой причине применяемые дрожжи должны обладать высокими осмофильностью и толерантностью к этиловому спирту и быстро адаптироваться к изменению в окружающей среде. К таким расам дрожжей относят К–81, 985–Т, 987–О, обладающих как свойствами осмофильности, так и термотолерантности.

При этом расы 987–О и 985–Т характеризуются максимальной устойчивостью к повышенному осмотическому давлению – до 30% и высокой концентрации этанола – до 15%; раса 985–Т устойчива при температуре до 38 °С [44, 47, 83, 100, 105, 108, 131, 134].

Повышение температуры резко снижает бродильную активность дрожжей расы XII, что вызывает замедление брожения, неполное сбраживание углеводов и, как следствие, ухудшение технико-экономических показателей производства.

Проведение процесса сбраживания при высоких температурах имеет особенно важное значение в весенне-летний период, так как позволяет экономить холодную воду на охлаждение бродильных аппаратов при ее нехватке [131].

В последнее время все более широкое применение в производстве спирта находят сухие дрожжи, сохраняющие высокую стабильность при сушке, обладающие хорошей скоростью роста, устойчивой продуктивностью и высокой бродильной активность [83]. При сравнении на примере расы 985–Т характеристик сухих дрожжей и дрожжей, полученных обычным способом размножения, было показано, что, сухие дрожжи кроме хорошей скорости роста, устойчивой продуктивности, уступают обычным дрожжам в бродильной активности в 1,25 – 3,80 раза [112].

Вышесказанное позволяет прийти к выводу, что эффективность сбраживания зависит не только от качественных показателей осахаренного сусла, режимов проведения процесса, но и от правильного подбора расы дрожжей, что особенно важно при использовании нового вида сырья.

1.4.4 Вредные примеси зрелой бражки и пути их образования Характерной особенностью процесса сбраживания осахаренного сусла является то, что наряду с этиловым спиртом идет образование побочных продуктов, таких как эфиры, альдегиды, высшие спирты, органические кислоты и другие соединения, называемые примесями спирта, качественный и количественный состав которых сказывается на качестве готового продукта – пищевого этилового спирта. Образование примесей во многом зависит от качества основного сырья и вспомогательных материалов, режимов и параметров технологического процесса, а также расы используемых дрожжей [25, 117].

Использование некондиционного зерна – суховейного, морозобойного, щуплого с мучнистыми пятнами, поврежденного головней, спорыньей, клопомчерепашкой, горелого, обработанного химикатами и т.д. – приводит к увеличению концентрации всех примесей в бражке [75, 77, 161].

Солод, ферментные препараты, их недостаточная ферментативная активность, сверхнормативная дозировка антисептических и дезинфицирующих средств, влияющих на жизнедеятельность дрожжевых клеток, могут являться причиной повышения содержания примесей [161].

Температура обработки в процессе получения осахаренного сусла оказывает влияние на состав летучих примесей в бражке [131, 161]. Применение низкотемпературных способов переработки позволяет значительно сократить содержание примесей, особенно метанола. Сходный эффект оказывает вакуумохлаждение разваренной массы [131].

Качество производимого спирта во многом зависит от расы дрожжей и технологических режимов сбраживания [64, 161, 166]. Усиленное размножение дрожжей, как и высокая температура брожения, приводят к повышенному выходу сивушного масла [23]. Проведение процесса сбраживания сусла при температуре выше 30 °С вызывает увеличение количества альдегидов и эфиров.

Массовая доля диацетила повышается из-за ускоренного роста дрожжей.

Летучие кислоты (уксусная, муравьиная, изомасляная, масляная, пропионовая, изовалериановая и некоторые другие), как правило, представляющие собой продукты жизнедеятельности посторонних микроорганизмов, инфицирующих бражку, являются одной из важнейших конструктивным обменом дрожжевых клеток. Микробиологическая чистота проведения процесса брожения приводит к снижению содержания органических кислот, что в свою очередь, сказывается на уменьшении количества сложных эфиров, являющихся продуктами взаимодействия спиртов и кислот [25].

Следует отметить, что не существует корреляционной зависимости между образованием этилового спирта и накоплением побочных продуктов метаболизма дрожжей. Органолептические показатели бражек с одинаковым содержанием этанола могут значительно отличаться между собой. По этим причинам установление факторов, оказывающих влияние на метаболизм дрожжей и образование ими примесей спирта, имеет большое значение и требует дальнейшего изучения.

Обобщение материалов, представленных в научной литературе, позволяет сделать вывод, что возвратные отходы хлебопекарного производства относятся к перспективному сырью для спиртовой промышленности. Биохимический состав пшеничного хлеба, а также изменения, происходящие с составляющими компонентами сырья в процессе его производства, хорошо изучены с позиции хлебопекарной отрасли, но ранее не исследовались с позиции спиртового производства.

Анализируя литературные данные о значении стадии дробления в технологическом процессе получения этилового спирта из зернового сырья, можно сказать о ее первостепенной важности. Показатель крупности помола зерна для современных непрерывных способов получения осахаренного сусла должен находиться на уровне не менее 80-85 % прохода через сито с диаметром отверстий 1 мм. Достижение таких характеристик требует сложных схем измельчения и больших затрат энергии. Следует отметить, что при получении сусла из пшеничного хлеба, в виду его реологических особенностей, необходимость в стадии дробления отсутствует, что является его позитивным свойством с позиции спиртовой отрасли и способствует снижению затрат энергии при производстве этанола.

Обзор литературных данных показывает, что основными путями образования возвратных отходов хлебопекарного производства являются ошибки в технологическом процессе, при транспортировке и хранении, а также возврат из торговой сети. Представленная в литературе информация говорит о том, что наиболее распространенным традиционным способом использования отходов хлебопекарного производства является добавление их в виде крупки или мочки при замесе теста. Однако данный способ требует дополнительных затрат, крайне негативно сказывается на качестве готового продукта, и способен утилизировать лишь незначительный объем образующихся отходов. При этом вывоз их для утилизации на полигон также сопряжен со значительными дополнительными расходами.

В целом, можно заключить, что сформулированная в работе цель исследований, посвященная разработке технологии этанола из возвратных отходов хлебопекарного производства, является современной и актуальной.

Основное сырье.

хлебозаводов г. Москвы. Хлеб характеризовался влажностью 32,05-40,23% и крахмалистостью 42,56-47,67 %.

Ферментные препараты.

В данной работе применялись ферментные препараты амилолитического и протеолитического действия зарубежного производства, их характеристика приведена в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Характеристика ферментных препаратов амилолитического действия Название Зимаджунт НТBacillus licheniformis 340 75-90 4,5-7, 340С+N Таблица 2 – Характеристика ферментных препаратов протеолитического действия * - характеристика ферментных препаратов приведена из материалов компаний-производителей. Активность препаратов уточнялась в ходе экспериментов.

В качестве осахаривающего ферментного препарата использовали SanSuper 360L (производства Novozymes) 6000 ед ГлС/см3; t= 55-60 °С; pH = 4,0-4,4.

Спиртовые дрожжи В ходе исследований применялись шесть рас дрожжей, используемые как в виде чистой культуры (расы XII, 987-0, 987-0-5), так и в виде сухих дрожжей (Fermiol, Ethanol Red, Angel).

2.1.2.1 Методы определения биохимических показателей сырья Для анализ биохимического состава зерна пшеницы и пшеничного хлеба применялись общепринятые методы биохимического анализа растительного сырья, методы оценки сырья в комбикормовой и спиртовой отраслях, а также ряд специальных методов.

Определение массовой доли влаги.

Применялся метод высушивания проб при температуре 105 °С. Данный метод основан на высушивании до постоянной массы с последующим измерением массы проб [98].

Определение массовой доли золы.

Метод основан на сжигании органических веществ пробы при доступе кислорода. В процессе сжигания из-за окисления органических веществ образуется углекислота. Соли органических веществ превращаются в карбонаты.

В образец добавляется азотная кислота для ускорения процесса и его правильности [17].

Определение массовой доли крахмала.

Определение проводили модифицированным химическим методом Меркера.

Метод заключается в двухстадийном проведении процесса гидролиза. На первом этапе под действием ферментов крахмал распадается до декстринов и мальтозы.

На следующем этапе посредством соляной кислоты при нагревании проводится гидролиз до глюкозы [98].

Определение массовой доли клетчатки Определение количества целлюлозы проводили с использованием метода, основанного на растворении и окислении веществ, содержащихся в пробе, при обработке азотной кислотой в этиловом спирте и водном растворе щелочи [116].

Определение массовой доли гемицеллюлоз Определение содержания гемицеллюлоз осуществляли по методу, базирующемуся на гидролизе нерастворимых углеводов в 2%-ной соляной кислоте [116].

Определение массовой доли белка Содержание белка определяли методом Къельдаля (с предварительной минерализацией образца) на автоматическом анализаторе «Авто-2300», системы Къельтек, фирмы «FOSS» [115] Определение массовой доли декстринов Использовался спектрофотометрический метод Попова-Шаненко [55].

Методика основывается на различных спектрах поглощения раствора йода и комплексов образующихся между йодом и амилозой и йодом и декстринами.

Длина волн для определения оптической плотности проб подбирается при максимальном поглощении одного компонента и минимальном другого.

Формула для расчета концентрации декстринов (мг/см3):

Са = 0,044 х А670 – 0,0123 х А Са – содержание амилозы, мг/см3;

Сд – содержание декстринов, мг/см3;

А670, А540 – значение оптической плотности при 670 и 540 нм.

Определение ферментативной атакуемости крахмала под действием микробных амилаз Ферментативную атакуемость крахмала образцов зерна и хлеба под действием микробных амилаз проводили согласно методике [34].

1 г измельченного образца смешивали с 50 см3 дистиллированной воды, затем добавляли ферментный препарат Termamyl SC в количестве 0,1 ед. АС/г условного крахмала сырья. Образцы термостатировали при 50 °С с определенной продолжительностью (20, 40 и 60 минут) затем пропускали через бумажный фильтр. Определяли концентрацию декстринов по методу Попова-Шаненко [55].

Определение ферментативной атакуемости крахмала под действием микробных глюкоамилаз Ферментативную атакуемость крахмала образцов зерна и хлеба под действием глюкоамилазы проводили согласно методике [34].

1 г измельченного образца смешивали с 50 см3 дистиллированной воды, затем добавляли ферментный препарат SAN Super 360L в количестве 4,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья. Образцы термостатировали при 50 °С с определенной продолжительностью (20, 40 и 60 минут) затем пропускали через бумажный фильтр. В фильтрате определяли массовую долю редуцирующих сахаров по методу с использованием 3,5-динитросалицилового реагента [54].

Определение ферментативной атакуемости белка За основу взят метод, описанный в работе [57]. 1 г измельченного образца смешивали с 50 см3 дистиллированной воды, затем добавляли 0,3 ед. ПС/г сырья.

Нулевую пробу сразу фильтровали; другие термостатировали при 50-55С с определенной продолжительностью (20, 40 и 60 минут) затем пропускали через бумажный фильтр. Содержание белка в пробах определяли по методу Лоури [88].

Для микробиологического контроля сырья применялись общепринятые в технологиях пищевых производств методы исследований [46, 119, 120], включающие идентификацию и подсчет микробиоты с использованием селективных сред при посеве на чашки Петри.

Определение количества клеток дрожжей Число клеток в 1 см3 дрожжей определялось прямым подсчетом клеток при помощи камеры Горяева. [142] Анализ физиологического состояния дрожжей Применялось микроскопирование образцов с целью определения общего количества клеток в 1 см3 (подсчет в камере Горяева), подсчет клеток, содержащих гликоген (окраска с раствором Люголя), мертвых дрожжевых клеток (окраска с метиленовой синью по Финку) и почкующихся клеток. [142] Метод самозакисания пробы Данный метод использовался для дополнительного контроля уровня микробиологической контаминации сырья, который проводили следующим образом: навеску образца ( 5 г сырья на абсолютно сухой вес) вносили в колбу со стерильным солодовым суслом (концентрация 8,5% СВ, объем – 100 см3), перемешивали и термостатировали в течение 2 суток. В процессе определяли кислотность путем титрования отобранных проб раствором 0,1 н NaOH (данные выражали в количестве 1 н раствора щелочи).

2.1.2.3 Анализ полупродуктов спиртового производства (замеса, Для проведения анализов применялись общепринятые методамы оценки полупродуктов спиртового производства, с использованием ряда специальных методов.

Определение массовой концентрации сухих веществ (СВ) Исследование проводилось рефрактометрическим методом [98].

Определение текучести перерабатываемых сред Текучесть определяли в условных единицах. Условные единицы соответствуют объему (в см3) вытекающего из воронки клейстера через сопло определенного диаметра за время, соответствующее вытеканию 100 см3 воды либо по времени (в секундах), необходимому для истечения заданного объема клейстера через калибровочное отверстие. Для определения текучести в данной работе применялась стеклянная трубка диаметром 5 мм и длиной 200 мм. Время истечения определялось секундомером [51].

Определение массовой доли редуцирующих веществ (РВ) Для определения массовой доли редуцирующих веществ применялся метод с использованием 3,5-динитросалицилового реагента [54].

редуцирующих сахаров посредством их колориметрической реакции с 3,5динитросалициловой кислотой. Реакция указанной кислотой с сахарами происходит при нагревании в кипящей водяной бане при щелочной реакции среды. Редуцирующие сахара восстанавливают 3,5-динитросалициловую кислоти с образованием 3-амино-5-нитросалициловой кислоты яркого желто-оранжевого цвета. Концентрация восстанавливающих сахаров определяется посредством измерения оптической плотности растворов, полученных в результате реакции.

Определение массовой концентрации общих сбраживаемых углеводов (ОРВ) Определение массовой доли общих редуцирующих веществ осуществляли с использованием ферментативного метода, основанного на полном ферментативном гидролизе крахмала пробы под действием разжижающих и осахаривающих ферментных препаратов Редуцирующие вещества, образующиеся в результате гидролиза, определяют по методу с использованием 3,5-динитросалицилового реагента.

Определение растворимых белковых веществ колориметрическим методом Лоури Метод Лоури [88] основан на реакции пептидных связей с медью и реактива Фолина с фенольными радикалами некоторых аминокислот, входящих в состав белков, в результате которой образуется соединение, придающее синюю окраску раствору белка. Интенсивность окрашивания зависит от концентрации белка.

Определение титруемой кислотности Титруемая кислотность определялась посредством титрования исследуемого образца 0,1 н раствором гидроксида натрия, в качестве индикатора применялся метиловый красный. Градус кислотности равняется 10,0 см3 0,1 н раствора NaOH, необходимого для нейтрализации кислот, содержащихся в 20,0 см3 исследуемой пробе [98].

Определение активной кислотности (рН) Для определения содержания ионов водорода (рН) в исследуемых образцах использовался электронный рН-метр.

Определение видимой чистоты сусла Видимая чистота сусла – это выражаемая в процентах величина, отражающая количество массовых частей углеводов, содержащихся в массовых частях сухих веществ фильтрата сусла в пересчете на глюкозу.

Формула для расчета видимой чистоты сусла (%):

Ссб.у – массовая доля сбраживаемых углеводов в сусле, %;

Ссв – массовая доля сухих веществ в сусле, % [98].

Определение содержания свободных аминокислот Измерение массовой концентрации свободных аминокислот проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Методика основывается на разделении различных компонентов пробы из-за различного равновесного распределения данных между несмешивающимися фазами с последующим детектированием на диодно-матричном детекторе [174].

Определение концентрации спирта и суммарного содержания примесей в бражке Из бражки посредством отгонки получали дистиллят в котором проводилось определение концентрации спирта с использованием пикнометрического метода[98].

Определение вредных летучих примесей в дистилляте проводили газохроматографическим методом, основанным на разделении компонентов пробы, из-за различных скоростей движения веществ в газовой и стационарной фазе [174].

Определение содержания магния, цинка, железа, кальция, марганца, натрия и калия Определение проводили атомно-абсорбционным методом. Данный метод основан на способности свободных атомов определяемого элемента селективно поглощать теоретическое резонансное излучение определенной для каждого элемента длины волны [115].

Определение содержания фосфора Определение проводили фотоколориметрическим методом с использованием тиомочевины [115].

2.2.1 Новое нетрадиционное сырье для спиртовой отрасли Традиционными видами сырья при производстве этилового спирта пищевого назначения являются три – меласса, картофель и зерно. При этом в настоящее время ряд причин, главными среди которых являются экономические, привел к тому, что российские спиртовые предприятия в качестве основного сырья используют только зерно злаковых культур – наибольшее распространение из которых получили – пшеница, рожь, ячмень [4].

С целью расширения сырьевой базы и повышения рентабельности нетрадиционного сырья.

Отечественные спиртовые заводы испытывают жесткую конкуренцию при реализации спирта, напрямую влияющую на экономический результат в целом.

Одним из новых перспективных видов сырья в соответствие с его биохимическим составом могут быть возвратные отходы хлебопекарной отрасли – пшеничный хлеб, не реализованный в торговой сети, или брак, образующийся на хлебозаводе. Анализ объемов производства данного вида хлебопекарной продукции показывает, что при среднем уровне образующихся возвратных отходов на предприятии около 5 % от общего объема производства, действующие хлебопекарные предприятия крупных мегаполисов могут обеспечить работу спиртового предприятия производительностью до 3000 дал в сутки. Переработка данного сырья в этанол не только может расширить сырьевую базу спиртовых предприятий, но и позволит решить проблему утилизации отходов хлебопекарной отрасли.

2.2.1.1 Биохимический состав возвратных отходов хлебопекарного Для оценки перспектив использования нового нетрадиционного вида сырья, в первую очередь, необходимо получить данные по его биохимическим крахмалсодержащего сырья.

В настоящей работе изучены основные биохимические показатели опытных образцов:

Образцы 1 и 1* – брак пшеничного хлеба с хлебозавода №24 и помол из сухого пшеничного хлеба;

Образец 2 и 2* –хлеб из торговой сети, подвергнутый хранению в течение 4х суток и помол из сухого пшеничного хлеба.

В качестве контроля использовано два образца:

Контроль 1 – фуражная пшеница кормового назначения;

Контроль 2 – пшеница, предназначенная для выработки пшеничной муки хлебопекарного качества.

Данные, представленные в таблице 3 показывают, что содержание крахмала в опытных образцах сырья составляет в пересчете на сухое вещество 70,15-73,30 %.

Эти значения выше, чем для контрольного образца 1 на 7-10%, в сравнении с контрольным образцом 2 – на 10-13%, что с позиции спиртовой отрасли повышает ценность нового нетрадиционного вида сырья.

Таблица 3 – Биохимический состав традиционного и нового вида сырья Массовая доля, % Контроль Контроль Образец Образец Образец Образец Редуцирующие сахара Некрахмальные полисахариды *- образцы после сушки Так же выявлено, что в нем содержится меньше некрахмальных полисахаридов (клетчатки, гемицеллюлоз), почти в 5 раз больше высокомолекулярных декстринов и свободных сахаров, доля последних возрастает до 5,01-6,17 % на сухое вещество.

Следует отметить, что в целом проанализировано было 9 образцов с разных заводов, интервал варьирования по содержанию крахмала составил около ±5,0%, все образцы по другим показателям имели данные близкие к представленным в таблице 3.

Ферментативная атакуемость полимеров пшеницы и пшеничного хлеба Одной из главных задач спиртового производства является перевод крахмала зерна в растворимое состояние с целью последующего его превращения в сбраживаемые углеводы. Классически данный этап работы осуществляется на стадиях водно-тепловой и ферментативной обработки сырья и получения осахаренного сусла. Для этих целей в технологии этанола применяют ферментные препараты амилолитического спектра действия, в частности, содержащие активные -амилазы и глюкоамилазы.

В настоящем разделе работы изучение ферментативной атакуемости крахмала сырья (традиционного – помол из фуражного зерна пшеницы, полученного по разным схемам измельчения, и нового – помол из сухого пшеничного хлеба Образец 1* и Образец 2*) проводили с использованием ферментных препаратов разжижающего действия (Termamyl SC) и ферментных препаратов осахаривающего действия (SanSuper 360L).

Исследование деструкции крахмала под действием микробных амилаз проводилось с использованием двух различных образцов пшеничного хлеба, однако, влияние биохимического состава выявлено не было, и результаты приводятся только для одного образца (Образец 1*). По результатам исследования установлено (таблица 4), что данный показатель в случае использования нетрадиционного вида сырья по сравнению с традиционным возрастает. К примеру, при выдержке замеса (соотношение сырья и воды 1:50 и использованием ферментного препарата Termamyl SC в количестве 0,1 ед. АС/г крахмала сырья) в течение 40 минут при 50°С количество высокомолекулярных декстринов увеличивается в опытных пробах почти на 2 мг/см3, в контрольных лишь на 0,07мг/см3.

осуществляется только под действием микробной амилазы (содержание декстринов в варианте без использования ферментного препарата практически не меняется), во втором гидролиз идет как под действием бактериальной амилазы, так и собственных ферментов сырья (содержание декстринов в пробах без ферментных препаратов имеет тенденцию к возрастанию).

Ферментативный гидролиз в течение 60 минут в опытных пробах характеризуется снижением содержания декстринов, что связано с переходом высокомолекулярных декстринов в неокрашиваемые йодом средне- и низкомолекулярные формы. Количество высокомолекулярных декстринов в контрольных пробах за весь период проведения ферментативной реакции возрастает. Также выявлено, что увеличение степени измельчения зерна пшеницы с 80% до 100% прохода через сито с диаметром 1 мм приводит к закономерному повышению содержанию декстринов в контрольных пробах в среднем на 25-30%.

Таблица 4 – Ферментативная атакуемость крахмала сырья под действием микробных амилаз Вместе с тем, в опытных образцах, напротив, несмотря на более существенную разницу в характеристиках помолов (30-ти% и 100-ный% проход через сито с диаметром 1 мм), содержание декстринов практически не меняется.

Последнее, скорее всего, связано с существенными отличиями в структурномеханических свойствах пшеничного хлеба.

Данные по исследованию процесса гидролиза крахмала традиционного и нового сырья с использованием ферментного препарата SanSuper 360L, содержащего высокоактивную глюкоамилазу, приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Ферментативная атакуемость крахмала сырья под действием микробных глюкоамилаз Норма внесения препарата во всех вариантах составляла 4,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья. Полученные данные позволили установить, что:

крахмал пшеничного помола практически не доступен для действия зерновой -амилазы. В пробах, полученных без использования ферментных препаратов повышения содержания сахаров, при увеличении длительности гидролиза почти не происходит (уровень РВ находится на уровне 0,10-0, мг/см3);

зерновой нативный крахмал плохо подвергается действию микробной глюкоамилазы. За первые 20 минут гидролиза содержание редуцирующих сахаров увеличивается лишь на 15-30%.

Использование в качестве сырья пшеничного хлеба, характеризующегося исходно большим содержанием редуцирующих сахаров, чем в помолах из зерна пшеницы (0,7 мг/см3 против 0,12 мг/см3), позволяет увеличить их уровень в опытных пробах, подвергнутых гидролизу в течение 20-60 минут, до 1,50-1, мг/см3 вместо 0,14-0,22 мг/см3, что свидетельствует о высокой доступности крахмала нового вида сырья к гидролизу под действием осахаривающих ферментов.

При оценке технологических свойств нового вида сырья кроме доступности крахмала сырья к ферментативному гидролизу были проведены и аналогичные исследования в отношении его белкового комплекса. Последнее связано с необходимостью накопления в сусле определенного количества усваиваемого азота, используемого спиртовыми дрожжами на стадии сбраживания. Вместе с тем, как следует из данных таблица 3, пшеничный хлеб, по сравнению с традиционным крахмалсодержащим сырьем при примерно равном содержании общего белка отличался по литературным данным [50, 102] фракционным составом белков, в частности имел повышенный уровень нерастворимых форм. В данной серии экспериментов использовали ферментный препарат протеолитического действия Нейтраза 0,8 L в дозировке 0,3 ед. ПС/г сырья.

Соотношение сырье вода составляло 1:50, температура гидролиза соответствовала 50 оС.

показывает, что содержание водорастворимого белка в контрольных и опытных пробах через 20 минут выдержки находятся на уровне 0,3-0,4 мг/см3.

Увеличение продолжительности гидролиза в вариантах без использования микробных протеаз в случае применения в качестве сырья пшеницы возрастает, пшеничного хлеба – остается без изменений, что свидетельствует об отсутствии собственных активных протеаз в последнем.

Так же установлено, что гидролиз белков хлеба при внесении микробной протеазы характеризуется меньшим накоплением растворимого белка, чем при использовании помола из пшеницы. Данный факт необходимо учитывать при разработке способов получения и сбраживания сусла из пшеничного хлеба.

Таблица 6 – Ферментативная атакуемость белка сырья под действием протеаз Таким образом, новое нетрадиционное сырье характеризуется повышенным содержанием крахмала, его высокой способностью к деструкции под действием микробных амилаз разжижающего и осахаривающего действия, что позволяет прогнозировать снижение норм внесения ферментных препаратов, либо сокращения длительности процесса получения разваренной массы посредством водно-тепловой и ферментативной обработки сырья.

В целом, проведенные эксперименты показали перспективность использования возвратных продуктов хлебопекарного производства в качестве дополнительного сырья для спиртовой отрасли.

2.2.1.2 Микробиологические характеристики традиционного и нового При оценке технологических свойств новых нетрадиционных видов сырья изучают их биохимические характеристики, структурно-механические свойства, а также микробиологические показатели. Последние в значительной степени определяют выбор режимных параметров переработки сырья.

крахмалосодержащего сырья (зерна) в последнее время отдают предпочтение низкотемпературным схемам его переработки, основанным на выдержке замеса при определенных температурно-временных режимах.

Классически в данных схемах механико-ферментативной переработки зерна микробиологические характеристики используемого в производственном процессе исходного зерна. Выдержка замеса при последовательном повышении температуры от 50°С до 95-98°С с общей продолжительностью 3,5-4,0 часа не всегда позволяет решить микробиологические проблемы производства.

хлебопекарного производства с позиции их использования в спиртовой отрасли ранее не проводилась. Данный этап работы посвящен вопросам оценки бактериальной и грибной микробиоты пшеничного хлеба, нереализованного в торговой сети, в том числе в виде спорообразующих форм, а также действию на нее режимов термической обработки сырья. В качестве контроля в работе использован традиционный вид крахмалосодержащего сырья – помол из зерна пшеницы.

нетрадиционного сырья проводили путем оценки проб на самозакисание для установления наличия в среде кислотообразующих бактерий и посевом проб на питательные среды. Нарастание кислотности проб характеризует инфицированность сырья кислотообразующими бактериями.

Данные по самозакисанию сырья, приведенные в таблице 7, позволили установить, что начальная кислотность всех изученных образцов находится на уровне 0,20-0,25°Д, то есть предлагаемый новый вид сырья не отличается по уровню кислотности от традиционного.

Однако через двое суток максимальный уровень нарастания кислотности выявлен в пробах помола пшеницы (Контроль 1, Контроль 2) и составляет 0,68°Д и 0,39°Д, соответственно. Эти значение существенно ниже в опытных образцах, что свидетельствует о меньшем содержании кислотообразующих микроорганизмов в пшеничном хлебе в сравнении с образцом помола из пшеницы.

Таблица 7 – Показатель кислотности проб на самозакисание Помол пшеницы (Контроль 1) Помол пшеницы (Контроль 2) Пшеничный хлеб (Образец 1) Пшеничный хлеб (Образец 2) Для оценки количественного и качественного состава микроорганизмов образцы были посеяны на следующие среды: мясо-пептонный агар (МПА) для определения КМАФAнМ и B. subtilis, сусло-агар (СА) для определения мицеллиальных грибов и дрожжей. По внешним морфологическим признакам колоний выросших на МПА в образцах помола пшеницы преобладали бактерии Ervinia herbicola, а также спорообразующие бактерии и кокки. На СА преобладали мицеллиальные грибы родов Penicillium, Fusarium и Alternaria, а также дрожжи.

Результаты представлены на рисунке 1 и в таблице 8.

Судя по результатам посевов обсемененность образцов возвратных отходов хлебопекарного производства существенно отличаются между собой, особенно по содержанию мицеллиальных грибов и B.subtilis. Причиной выявленных отличий является то, что пшеничный хлеб Образца 1 по классификации относится к возвратным отходам хлепопекарного производства, а пшеничный хлеб Образца подвергали хранению в течение 4 дней, то есть данный образец хлеба подлежал утилизации.

Рисунок 1 – Внешний вид колоний микроорганизмов, выделенных из помола пшеницы (Контроль I) и пшеничного хлеба (Контроль II) примечание: а – среда МПА, Контроль I; б – среда СА, Контроль I; в – среда Таблица 8 – Микробиологическая характеристика сырья Вид сырья Помол пшеницы (Контроль 1) Пшеничный хлеб (Образец 1) Пшеничный хлеб (Образец 2) На спиртовые предприятия возвратные отходы хлебопекарного производства могут поступать как в виде исходного хлеба (батоны), так и в виде сухарной муки. С целью выбора температурных режимов сушки хлеба при выработке сухарной муки дополнительно были проведены эксперимента по влиянию температуры и продолжительности теплового воздействия. Результаты представлены в таблице 9.

Таблица 9 – Влияние термообработки на микробиологические характеристики пшеничного хлеба (Образец 2) Пшеничный хлеб с (Опыт I) Пшеничный хлеб с (Опыт II) Пшеничный хлеб с (Опыт III) Температурный режим обработки при 50-60°С не позволяет снизить содержание микроорганизмов в высушенном хлебе, так как сохраняются споровые формы B.subtilis. Вместе с тем, сушка при температурах 90-140°С позволяет получить сухарную муку с минимальным содержанием микроорганизмов.

Проведенные исследования показывают, что исходный хлеб может быть использован в производстве в сроки, установленные хлебопекарной отраслью, для его возврата на хлебопекарные предприятия, либо подвергаться сушке при установленных режимах (90-140°С), что позволяет увеличить срок хранения данного вида сырья.

В целом, оценка микробиологических характеристик традиционного и нового вида сырья позволила выявить их существенные отличия, как в количественном, так и в качественном составе, установить влияние режимов термической обработки хлеба на содержание грибной и бактериальной микробиоты, в том числе и спорообразующих видов. Полученные данные могут быть использованы в дальнейшем для прогнозирования способов и режимных параметров получения и сбраживания сусла из возвратных отходов хлебопекарной отрасли на спиртовых предприятиях.

2.2.2 Режимы и технологические параметры получения осахаренного При производстве этилового спирта традиционно используются два метода получения сусла: механико-ферментативная обработка и разваривание под избыточным давлением. Первый из которых обладает значительными преимуществами и дает возможность получать спирт при низких температурах в процессе разваривания, сводя потери к минимуму. По этим причинам именно на нем был остановлен выбор способа получения сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства. В соответствии с задачами исследования были проведены эксперименты для подбора разжижающего и осахаривающего ферментных препаратов, выявления возможности уменьшения их дозировок, осуществлен подбор оптимальных температурно-временных режимов воднотепловой и ферментативной обработки.

2.2.2.1 Сравнительная характеристика образцов сусла из традиционного Процесс получения сусла предусматривал смешивание сырья (в контроле – пшеничный помол, характеризующийся 80% проходом через сито d=1,0 мм; в опытах – два образца пшеничного хлеба в начальном и высушенном состояниях, сухой пшеничный хлеб представлен в виде помолов, характеризующихся проходом через сито d=1,0 мм на уровне 85-90%) с водой при гидромодуле 1:3, (гидромодуль для образцов хлеба в начальном состоянии корректировался с учетом влажности), внесение ферментного препарата разжижающего действия (Termamyl SC в дозировке 0,2 ед. АС/г условного крахмала сырья), нагрев замеса до температуры 50°С и выдержка в течение 30 мин (пауза 1). Далее температуру повышали до 70-75°С, смесь выдерживали при данной температуре с перемешиванием среды в течение 1,5 часов (пауза 2). Затем проводили обработку замеса при температуре 95-98°С и длительности 1,5 часа (пауза 3). В результате, разваренная масса доводилась до 56-58°С, что соответствует температуре осахаривания, вносился ферментный препарат осахаривающего действия (SanSuper 360L в дозировке 6,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья). Массу при данной температуре выдерживали в течение 30 минут (пауза 4). Основные показатели качества полученных контрольного и опытных образцов сусла, отражены в таблице 10.

Таблица 10 – Сравнительная характеристика образцов сусла Массовая доля, % - общие редуцирующие вещества * - образцы, подвергшиеся сушке Установлено, что при равном гидромодуле (1:3,5) сусло, полученное из хлеба, характеризуется повышением в среднем на 2,0% содержания сухих веществ, увеличением доли общих редуцирующих веществ на 3,7-4,6%, в основном за счет роста массовой доли свободных сахаров, возрастанием видимой доброкачественности до уровня 92-95% и меньшим содержанием растворимого белка (0,4-0,6% против 0,9%).

Также анализ табличных данных позволяет сказать, что существенной разницы в показателях качества сусла, полученного при использовании в качестве сырья свежего и высушенного хлеба, не выявлено.

2.2.2.2 Изучение реологического поведения замесов из пшеничного хлеба Кроме биохимических показателей сусла в процессе переработки сырья необходимо учитывать его реологические характеристики, которые в работе оценивали по времени истечения сред. Данные, представленные в таблице 11, показывают, что переработка хлеба при режимах, принятых Регламентом для нетехнологичную среду. Ранее показано [129], что допустимый уровень текучести для истечения выбранного объема сред не должен превышать 10 секунд.

Вероятнее всего данный факт связан с существенно большим для хлеба по сравнению с пшеничным помолом показателем, характеризующим набухаемость, а не непосредственно с вязкостью получаемых сред. Выдвинутое предположение подтверждает пониженная текучесть опытного образца по сравнению с контрольным на паузе 2.

Таблица 11 – Изменение реологических характеристик в процессе водно-тепловой обработки Пшеничный хлеб после сушки В качестве факторов, выбранных в работе, для возможности решения проблемы нетехнологичности сред из пшеничного хлеба на паузе 1 механикоферментативной обработки сырья рассмотрены:

температура воды при замесе (от 40 до 100 °С);

интенсивная механическая предобработка замеса в течение 5 минут.

Выбор последнего фактора определялся тем, что ранее рядом авторов [52, 76] показана эффективность применения роторно-пульсационных аппаратов при получении зернового сусла, в том числе повышенной концентрации.

Использование данных аппаратов позволяет подвергать замес интенсивной механической обработке за счет больших градиентов скоростей, активного гидродинамического режима, эффективной турбулизации и пульсации потока, кавитационных эффектов, высоких напряжений сдвига, сочетающихся с одновременным механическим воздействием на частицы дисперсной фазы, приводящих к интенсификации всех процессов, протекающих в гетерогенных средах.

При изучении влияния первого фактора – температуры воды, используемой для замеса, на текучесть сред (рисунок 2), выявлено четкое снижение данного показателя при увеличении температуры воды от 40 до 100°С. Пробы, полученные при t = 70-100°С, имеют показатель текучести на уровне допустимых значений для технологичных сред, т.е. не превышают 10 секунд. Однако обработка сред при 70°С, по сравнению с использованием более горячей воды, по экономическим показателям более предпочтительна, поэтому именно эта температура выбрана для дальнейших исследований. Замес при 70°С позволяет, кроме того, начать процесс сразу со второй паузы.

Текучесть, с Рисунок 2 – Влияние температуры замеса на текучесть сред (Пауза 1) При изучении влияния второго фактора – интенсивной механической предобработки замеса, установлено, что он негативно влияет на процесс.

Динамика показателя текучести (таблица 12) при получении сусла контрольного образца (контроль – помол пшеницы) и опытных образцов (Опыт 1 – хлеб без предобработки, Опыт 2 – хлеб с предобработкой) выявила, что на всех этапах текучесть образца Опыт 2 хуже, чем Опыт 1. К примеру, выдержка замесов в течение первых 30 минут при температуре 70°С характеризуется значениями текучести соответственно 10 и 27 секунд. Образец Опыт 2 достигает уровня соответствующего допустимому по текучести только к концу выдержки замеса при температуре 70°С, т.е. через 1,5 часа. Изучение динамики изменения реологических характеристик сред, полученных из традиционного крахмалсодержащего сырья (* – в таблице 12 не приводится текучесть, соответствующая паузе 1, проводимой при t = 50 °С, = 30 мин) и нового, еще раз подтвердило различия в структурно-механических свойствах помола пшеницы и пшеничного хлеба. Вязкость на второй паузе (t=70-75°C) в первом случае закономерно возрастает, что связано с процессом клейстеризации крахмала зерна, во втором напротив резко падает.

Таблица 12 – Влияние интенсивной механической предобработки на реологические характеристики сред при получении сусла из пшеничного хлеба В целом, результаты изучения реологических характеристик в ходе получении сусла из пшеничного хлеба позволили предложить эффективный, простой технологический прием для снижения вязкости сред, а именно, повышение температуры воды при замесе с 50 до 70°С.

2.2.2.3 Подбор и определение норм внесения амилолитических Следующий этап работы был посвящен выбору ферментных препаратов амилолитического действия, предназначенных для получения сусла из пшеничного хлеба. Постановка данной серии экспериментов проводилась с целью выявления субстратной специфичности технологической среды из нового вида сырья.

Были использованы четыре ферментных препарата разжижающего действия, два из которых являются мезофильными, а два термостабильными. Эксперименты проводились на двух образцах хлеба, биохимические показатели которых представлены в таблице 3. Установлено (таблица 13), что вид препарата практически не влияет на концентрацию сусла и количество сбраживаемых углеводов, при одинаковой продолжительности (1,5 часа) пауз при температуре 70-75 °С и 95-98 °С.

Таблица 13 – Показатели качества сусла в зависимости от применяемых амилолитических ферментных препаратов разжижающего действия Ликвамил Termamyl SC Вместе с тем установлено, что использование в качестве разжижающего препарата Ликвамил 1200, дает сусло с максимальным содержанием растворимых белков. Данный факт может быть связан с присутствием в ферментном препарате Ликвамил 1200 незаявленной производителем активности ферментов протеолитического спектра действия. Кроме того он дает более технологичные среды (максимальное значение текучести соответствующее выдержке замеса при 70°С в течение 30 минут составляет 7-8 секунд против 10-13 при использовании других препаратов). Поэтому ферментный препарат Ликвамил 1200 выбран в качестве лучшего.

Аналогичные исследования были проведены с ферментными препаратами осахаривающего действия. Установлено (таблица 14), что тип ферментного препарата не оказывает существенного влияния на такие показатели как СВ, ОРВ, белок. Применение же препарата SanSuper 360L приводит к большему накоплению редуцирующих веществ – приблизительно на 10%.

Таблица 14 – Показатели качества сусла в зависимости от применяемых амилолитических ферментных препаратов осахаривающего действия Ферментный Образец SanSuper 360L Себестоимость этилового спирта зависит от дозировок ферментных препаратов, в первую очередь – основных к которым относятся препараты амилолитического действия (разжижающего и осахаривающего). Известно, что среди основных статей калькуляции затраты на покупку ферментных препаратов могут достигать 10%.

Эксперименты по определению рациональных дозировок ферментных препаратов проводили с использованием ранее выбранного препарата Ликвамил 1200 и препарата осахаривающего действия SanSuper 360 L.

На первом этапе данного раздела работы менялась дозировка разжижающего ферментного препарата от 0,5 до 4,0 ед. АС/г условного крахмала сырья.

Дозировка препарата осахаривающего действия во всех опытах соответствовала значению, принятому в случае переработки традиционного крахмалсодержащего сырья (6,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья).

показатели качества сусла, позволяют снизить дозировку разжижающего ферментного препарата с 2,0 до 0,5 ед. АС/г условного крахмала сырья. При рекомендованной дозировке Ликвамила 1200 реологические характеристики технологических сред соответствуют допустимым нормам.

Таблица 15 – Влияние дозировок ферментных препаратов разжижающего действия на содержание в сусле сухих веществ, общих сбраживаемых углеводов и редуцирующих сахаров Норма внесения, Норма внесения препарата осахаривающего действия в работе варьировалась от 2,0 до 8,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья (таблица 16).

Таблица 16 – Влияние норм внесения ферментных препаратов осахаривающего действия на содержание в сусле сухих веществ, сбраживаемых углеводов и сахаров (норма АС=2,0 ед./г условного крахмала) Норма внесения, ед. ГлС/г

СВ ОРВ РВ

условного Представленные данные позволили выявить устойчивую тенденцию повышения массовой доли редуцирующих сахаров в сусле при увеличении количества ферментного препарата. Однако, в связи с тем, что содержание сахаров в сусле из хлеба выше, чем из традиционного сырья, можно рекомендовать дозировку осахаривающего препарата на уровне 2,0-4,0 ед. ГлС/г условного крахмала сырья с уточнением ее после проведения исследований по сбраживанию.