9.2. Цели применения ферментных препаратов

Крахмал как основной компонент сухих веществ сырья, из ко­торого и образуется спирт, непосредственно дрожжами не сбра­живается. Поэтому его необходимо гидролизовать до сбраживае­мых сахаров, для этого используют ферменты.

В клубнях картофеля и в зерне злаков крахмал находится в нерастворенном состоянии внутри клеток, стенки которых препят­ствуют доступу к нему амилолитических ферментов, применяе­мых при осахаривании. Нерастворенный крахмал гидролизуется чрезвычайно медленно, в связи с чем первая стадия технологичес­кого процесса производства спирта заключается в водно-тепловой обработке крахмалистого сырья, которая при непрерывных про­цессах включает и операцию предварительного измельчения для полного разрушения клеточной структуры сырья и растворения крахмала.

Подготовленная таким образом разваренная крахмалистая мас­са подвергается воздействию амилолитических ферментов в опти­мальных для их действия условиях. Основная задача процесса ферментативного гидролиза крахмала, который на практике про­должается и на стадии сбраживания, — наиболее полное и быст­рое его превращение в сбраживаемые сахара.

Применяемый издавна как источник амилолитических фер­ментов зерновой солод обеспечивает достаточно глубокое осаха-ривание и выбраживание только за 3 сут. Необходимо отметить, что зерновой солод не только осуществляет гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, но и служит источником легкоусвояемо­го азотного питания для дрожжей, так как в процессе проращива­ния в нем накапливается значительное количество аминокислот (от 7 % общего азота в зерне до 32 % в солоде). Накоплению ами­нокислот, пептонов и полипептидов в зерновом сусле способству­ют также содержащиеся в солоде протеазы. Известно, что в зерне содержатся протеазы эндо- и экзотипа. В процессе соложения ак­тивность их возрастает в 40 раз.

Для зернового солода характерна также определенная актив­ность целлюлаз и гемицеллюлаз, под действием которых в некото­рой степени происходит растворение клеточных стенок эндосперма.

Однако скорость осахаривания крахмала сырья ферментами солода невысока, что затрудняет интенсификацию процесса бро­жения.

При применении ферментных препаратов микробного проис­хождения можно значительно повысить концентрацию необходи­мых ферментов в среде и обеспечить таким образом глубокий гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров за сравнительно ко­роткий период.

Основная цель применения ферментов микробного происхож­дения на стадии осахаривания — исключение стадии соложения зерна, что приводит к интенсификации процесса и снижению се­бестоимости спирта.

Использование ферментов микробного происхождения в спирто­вом производстве позволяет гидролизовать не только крахмал, но и клеточные стенки растительного сырья, а также оболочки и плен­ки, что обеспечивает наилучший контакт крахмала с амилолитическими ферментами, повышение степени использования сухих веществ сырья и увеличение выхода спирта за счет образования сбраживаемых сахаров при гидролизе других полисахаридов.

Применение протеолитических ферментов позволяет гидроли­зовать белки, пептоны и полипептиды сырья до аминокислот, являющихся ценным азотным питанием для дрожжей.

При непрерывном разваривании крахмалистого сырья приме­няется предварительный нагрев замесов до 90... 95 °С с целью смяг­чения режима последующего этапа водно-тепловой обработки сырья, который проводится при повышенной температуре и из­быточном давлении, и снижения потерь сбраживаемых веществ. Однако при этом в предразварнике происходит клейстеризация и возрастает вязкость замесов, что затрудняет их дальнейшую транс­портировку.

Использование для разжижения замесов зернового солода или солодового молока нецелесообразно, так как в них содержится це­лый ряд других ферментов, способствующих накоплению сахаров и аминокислот. Наличие в замесе значительного количества сво­бодных сахаров и аминокислот приводит к усилению сахароаминной реакции при последующем разваривании, что, в свою очередь, увеличивает потери сбраживаемых веществ. Кроме того, при ис­пользовании солода во время разваривания инактивируются осахаривающие ферменты, в связи с чем требуется дополнительный расход солода на осахаривание. Наиболее целесообразно поэтому применять ферментативное разжижение на стадии разваривания с использованием препарата термостабильной а-амилазы, обладаю­щего высокой разжижающей способностью и лишенного осахаривающих ферментов.

Применение бактериальной а-амилазы при нагреве замесов до 85...95°С позволяет полностью использовать вторичный пар для предварительного подогрева и смягчить режим разваривания, это сопровождается уменьшением расхода пара на тепловую обра­ботку и соответствующим снижением потерь крахмала при разва­ривании.

Повышению эффективности применения ферментов микроб­ного происхождения для гидролиза крахмала растительного сырья способствовало установление важной роли фермента глюкоамилазы.

Способность глкжоамилазы интенсивно расщеплять как а-1,4-, так и а-1,6- и даже α-1,3-связи, выдвинула этот фермент на первое место по эффективности гидролиза крахмала до сбраживаемых сахаров. Регулируя концентрацию глюкоамилазы в осахариваемом заторе, можно значительно интенсифицировать процесс гидро­лиза и сократить таким образом продолжительность брожения в 2—3 раза.

В целях интенсификации процесса осахаривания крахмала и сбраживания осахаренного сусла дрожжами с помощью фермен­тов микробного происхождения должны быть решены следующие задачи:

• на первом этапе осахаривания, который начинается при пе­репаде температур от 105 °С (в выдерживателе) до 60 °С (в осахаривателе) необходимо обеспечить быстрый гидролиз крахмала до декстринов и сопутствующих сахаров для предотвращения ретро-градации при дальнейшем охлаждении;

• на втором этапе осахаривания при температуре 56...60°С в течение 5—60 мин (в зависимости от принятого режима) и при температуре 30 °С (при последующем брожении) надо обеспечить глубокий гидролиз крахмала за короткий срок.

Для дальнейшего повышения выхода спирта из единицы сырья за счет снижения потерь крахмала и сбраживаемых углеводов и использования других (некрахмальных) углеводов сырья необхо­дим интенсивный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы оболо­чек и клеточных стенок сырья, обусловливающий лучший контакт крахмала с амилолитическими ферментами, а также дополнитель­ное образование сбраживаемых сахаров за счет гидролиза этих по­лисахаридов.