Химия отрасли (теория и практика). Часть 2. Учебное пособие

Разделение комплекса белков на фракции основано на их способности растворяться в различных растворителях. По растворимости белковые вещества делят на четыре большие группы:

1.Альбумины – растворяются в воде и в слабых растворах

нейтральных солей, выпадают в осадок в изоэлектрической точке при рН 4,57 и нагревании до 59 оС.

2.Глобулины не растворяются в воде, но растворяются в слабых (5…10 %) растворах нейтральных солей.

3.Проламины – растворяются в 70…80 % спирте и не растворяются в воде, солевых растворах и концентрированном спирте.

4.Глютелины растворяются только в разбавленных растворах щелочи.

Глютелины и проламины при соложении и затирании, приготовлении замеса мало изменяются и почти полностью переходят в дробину. В количественном отношении доля этих фракций составляет около 80 % от общего содержания белков в зерне. На

долю альбуминов приходится 6…9 % и глобулинов –

10…11 % мас.

Количественное соотношение фракций изменяется в зависимости от сорта и условий произрастания зерна.

Полнота извлечения белка зависит от тонкости помола зерна, объема растворителя и количества обработок. Для более полного разрушения клеточных тканей тонкоизмельченное зерно растирают в ступке со стеклянным песком. Количество азота по фракциям определяют по методу Кьельдаля или колориметрическим методом. Полноту извлечения белков определяют по количеству азота, оставшегося в навеске после обработки ее всеми растворителями или по разности между общим содержанием азо-

21

та и суммой извлеченного азота. Сумма извлеченного азота фракций должна быть не меньше 85…90 % мас.

Лабораторная работа № 1

Определение фракционного состава белковых веществ зернового сырья по методу Ермакова

Цель работы: научиться выделять фракции солерастворимых, щелочерастворимых и спирторастворимых белков из различных видов зернового сырья.

Оборудование и реактивы: центрифуга с пробирками вместимостью 100 см3; мерные колбы вместимостью 100, 200, 250 см3; колбы Кьельдаля вместимостью 250 см3; фарфоровые ступки диаметром 110 мм; стеклянный песок с размерами частиц 1,75 > d > 0,5 мм; раствор хлорида калия концентрацией 1 моль/дм3; раствор этилового спирта с объемной долей 70 %; раствор гидроксида натрия с массовой долей 0,2 %; раствор 0,1 моль/дм3 серной кислоты; раствор 0,1 моль/дм3 гидроксида натрия; раствор гидроксида натрия с массовой долей 33 %; серная кислота относительной плотностью 1,84; смешанный индикатор (смесь 100 см3 раствора 0,13 г метиленового голубого в спирте и 200 см3 раствора 0,14 г метиленового красного в спирте, которая в кислой среде дает красно-фиолетовое окрашивание, в щелочной – зеленое).

Проведение анализа

Извлечение солерастворимых белков. В ступку помещают

(5 ± 0,01) г тонкоизмельченного зерна и 2 г стеклянного песка. Смесь тщательно растирают пестиком. Затем цилиндром отмеривают 80 см3 раствора хлорида калия концентрацией 1 моль/дм3, приливают в ступку 3…5 см3 этого раствора и продолжают растирать зерно до тонкой кашицы. Потом еще несколько раз добавляют понемногу раствор хлорида калия и дополнительно растирают. Суспензию переносят без потерь в центрифужную пробир-

22

ку. Объем раствора хлорида калия по отношению к навеске муки должен быть 16-кратным. Пробирку закрывают резиновой пробкой и встряхивают в течение 15 мин, затем в течение 10 мин центрифугируют при 4000 мин-1.

Жидкость сливают в мерную колбу на 250 см3 через воронку с ватным фильтром. Извлечение повторяют еще три раза, для чего к осадку в пробирке добавляют 10-кратный объем растворителя, хорошо перемешивают стеклянной палочкой и центрифугируют, сливая жидкость в ту же мерную колбу. Извлечение заканчивают промыванием осадка в пробирке 20…25 см3 дистиллированной воды, которую после перемешивания и центрифугирования так же сливают в колбу. Объем колбы доводят до метки дистиллированной водой.

В солевую вытяжку переходят альбумины, глобулины и небелковые азотистые вещества (аминокислоты, амиды и др.).

Для определения общего количества азота в солевой вытяжке в колбу Кьельдаля отмеривают 25 см3 вытяжки и количество азота определяют по методу Кьельдаля.

Извлечение щелочерастворимых белков. В пробирку с ос-

татком муки после извлечения солерастворимых белков приливают 80 см3 раствора щелочи с массовой долей 0,2 %, хорошо перемешивают стеклянной палочкой. Пробирку закрывают резиновой пробкой, встряхивают в течение 15 мин и центрифугируют. Жидкость сливают в мерную колбу вместимостью 250 см3 и извлечении повторяют еще 2 - 3 раза. Заканчивают щелочную экстракцию промывкой остатка муки 20…25 см3 дистиллированной воды, которую после центрифугирования сливают в ту же колбу. Затем объем колбы доводят до метки раствором щелочи и перемешивают. Для определения азота глютелинов в колбу Кьельдаля берут 50 см3 щелочной вытяжки.

Извлечение спирторастворимых белков. В пробирку с ос-

татком муки после извлечения щелочерастворимых белков приливают 10-кратный к взятой массе навески объем спиртового раствора, нагретого до 60 оС. Содержимое пробирки перемешивают, плотно закрывают пробкой и встряхивают на аппарате в течение 30…60 мин. Затем вытяжку центрифугируют 2 мин при 4000 мин-1 и жидкость сливают в мерную колбу вместимостью

23

100 см3. Остаток муки в пробирке еще раз обрабатывают таким же образом, но с 5-кратным количеством спирта. К спиртовой вытяжке в мерной колбе прибавляют 1…2 капли щелочи, чтобы предупредить выпадение белков в осадок, и объем колбы доводят до метки спиртом. Для определения азота проламинов в колбу Кьельдаля берут 50 см3 вытяжки.

Лабораторная работа № 2

Определение содержания общего азота в вытяжках методом Кьельдаля

Цель работы: изучить методику определения содержания общего азота, количественно определить содержание общего азота в каждой фракции белковых веществ.

Оборудование и реактивы: колбы Кьельдаля вместимостью 100 – 250 см3; установка для отгонки аммиака; конические колбы вместимостью 100 – 250 см3; стеклянные пробирки диаметром до 1 см; 0,1 моль/дм3 раствор серной кислоты; 0,1 моль/дм3 раствор гидроксида натрия; раствор гидроксида натрия с массовой долей 33 %; серная кислота х. ч., d =1,84 г/см3; катализатор; смешанный индикатор, раствор борной кислоты с массовой долей 2 %.

Проведение анализа

Масса навески для анализа должна содержать 20 – 40 мг азота. Жидкие образцы предварительно упаривают, сыпучий материал (зерно, солод) предварительно измельчают так, чтобы помол проходил через сито с ячейками размером 0,8 мм.

При анализе жидких продуктов пробу отбирают пипеткой в таком объеме, который содержал бы 20 – 40 мг азота. Пипетку с пробой опускают до дна колбы Кьельдаля и переводят в колбу пробу жидкости. Жидкость подкисляют несколькими каплями концентрированной серной кислоты и выпаривают сначала на малом огне газовой горелки, а затем на водяной бане до сиропо-

24

образного состояния. При выпаривании нельзя допускать подгорания и обугливания жидкости на стенках колбы.

Для сжигания отмеривают цилиндром 10 см3 концентрированной серной кислоты, небольшим ее количеством полностью смачивают навеску (или выпаренную пробу), затем оставшейся кислотой обмывают стенки колбы, добавляют 0,5 – 1 г катализатора, колбу закрывают специальной насадкой или стеклянной воронкой диаметром 3 – 4 см и наклонно устанавливают в вытяжном шкафу на сетке над горелкой (рис. 2.1). Выделяющиеся при сгорании газы сильно вспенивают массу и в начале сжигания нагрев регулируют так, чтобы масса не поднималась в горло колбы и не произошел ее выброс. Когда вспенивание прекратится и масса разжижится, нагрев усиливают и при слабом кипении заканчивают озоление до полного осветления раствора. При озолении нужно следить за тем, чтобы сильно не нагревалось горло колбы, на котором должны конденсироваться пары серной кислоты, иначе произойдет быстрое выпаривание кислоты и возможно частичное разложение сульфата аммония.

Рис. 2.1. Сжигание пробы в колбе Кьельдаля

В процессе озоления колбу периодически встряхивают и переворачивают так, чтобы кислота и стекающий конденсат паров кислоты последовательно омывали всю внутреннюю поверхность колбы, не оставляя на ней обуглившихся частиц.

25

8

9

Рис. 2.2. Аппарат для отгонки аммиака с водяным паром: 1 – парообразователь; 2 и 5 – воронки; 3 и 6 – краны; 4 – зажим; 7 – каплеуловитель; 8 – холодильник; 9 – приемная колба; 10 – отгонная колба

Вместо запасной колбы Кьельдаля на пробку надевают колбу Кьельдаля, в которой производили сжигание. Кран 6 закрывают и в воронку наливают 35 – 40 см3 раствора щелочи с массовой долей 33 %, после чего небольшими порциями спускают ее в колбу, осторожно перемешивая содержимое колбы покачиванием. Затем кран 6 закрывают, открывают зажим 4, закрывают зажим 3 и пропускают пар через жидкость в колбе Кьельдаля. Кипение не должно быть бурным, чтобы капли щелочи не попадали в каплеуловитель.

Через 15 – 20 мин от начала отгонки аммиака приемную колбу опускают так, чтобы конец холодильника был выше уровня жидкости в колбе, и перегонку продолжают еще 5 – 10 мин. Скорость перегонки регулируют с помощью нагрева или зажимом 3 так, чтобы к концу перегонки объем жидкости в приемной колбе увеличился вдвое. По окончании перегонки открывают зажим 3 и кран 6, а зажим 4 закрывают. Конец холодильника обмывают водой, не вынимая из колбы, и оттитровывают избыток H2SO4 0,1 моль/дм3 раствором гидроксида натрия до появления зеленого цвета. Содержание азота х, мг, рассчитывают по уравнению:

Х = 1,4 · (а – б),

27

где а – объем взятого в приемник 0,1 моль/дм3 раствора H2SO4, см3; б – объем 0,1 моль/дм3 раствора NaOH, пошедшее на титрование избытка кислоты, см3.

Содержание общего азота белковых веществ, фракционированных по методу Ермакова, в мг, вычисляют по формулам:

для солерастворимых белков:

хс = А · 250 / 25,

где А – масса азота в 25 см3 солевой вытяжки, мг; для щелочерастворимых белков:

хщ = А · 250 / 50,

где А – масса азота в 50 см3 щелочной вытяжки, мг; для спирторастворимых белков:

хсп = А · 100 / 50,

где А – масса азота 50 см3 спиртовой вытяжки, мг.

Массовую долю отдельных фракций (в %) на воздушносухое вещество зерна вычисляют по формулам:

Хс = хс · 100 / н; Хщ = хщ · 100 / н;

Хсп = хсп · 100 / н,

где н – масса навески муки, г (н = 5 г).

Контрольные вопросы

1. Каков фракционный состав белковых веществ зернового сырья?

2.Каким образом проводят фракционирование белковых веществ по Лундину?

3.Как охарактеризовать фракции белковых веществ различных зерновых культур?

4.Каким образом определяют содержание общего азота в вытяжках из зернового сырья?

5.Какие формулы применяют для расчета массовых концентраций азота в вытяжках?

28

3. УГЛЕВОДНЫЙ СОСТАВ СУСЛА ПРИ ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ

И ОСАХАРИВАНИИ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Разваривание – один из основных технологических процессов спиртового производства. Эффективность последующих технологических операций и выход спирта во многом зависят от соблюдения режимов в процессе водно-тепловой обработки крахмалистого сырья.

При разваривании происходят глубокие структурномеханические и физико-химические изменения сырья и химические превращения веществ, входящих в его состав.

Необходимая подготовка крахмалсодержащего сырья к осахариванию при минимальных потерях нерастворенного крахмала

исбраживаемых углеводов достигается правильно выбранным соотношением температуры и продолжительности разваривания

иравномерностью обработки массы.

На первой стадии нагревания, когда высокая температура не подвергла ферменты зерна инактивации, в сырье происходят процессы, важнейшим из которых является ферментативное расщепление крахмала и белковистых веществ. При смешивании с водой измельченного в муку зерна ферменты переходят в раствор и при определенной температуре способствуют превращению крахмала в декстрины и сахара, белков – в пептоны, пептиды и аминокислоты. Скорость превращений зависит от степени измельчения зерна, значения температуры и продолжительности теплового воздействия.

С повышением температуры тепловой обработки интенсивность образования декстринов увеличивается. Гемицеллюлозы, состоящие преимущественно из пентозанов, гидролизуются незначительно с образованием ксилозы и арабинозы. Целлюлоза в слабо кислой среде (рН 5,5 – 6,0) практически не гидролизуется.

Интенсивно подвергаются гидролизу под действием пектиназ пектиновые вещества с отщеплением метоксильной (–ОСН3 ) группы, образуется некоторое количество метилового спирта, который при перегонке, как правило, переходит в спирт-сырец.

29

Метанол в незначительных количествах может образоваться также из пентозанов.

В процессе разваривания зернового сырья сахара вступают во взаимодействие с аминокислотами с образованием несбраживаемых меланоидиновых соединений, что является основной причиной потерь углеводов при разваривании. Данное обстоятельство указывает на необходимость быстрого подогревания сырья, особенно измельченного и дефектного, с тем, чтобы его пребывание при температуре 45 – 70 ºС было как можно более непродолжительным, а превращение крахмала в низшие сахара – незначительным.

Процесс осахаривания заключается в обработке охлажденной разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других высокомолекулярных веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является ферментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, поэтому процесс и называют осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают полупродукт – сусло спиртового производства.

Особенностью процесса осахаривания в производстве спирта является то, что воздействие ферментов на составные вещества сырья осуществляется на нескольких технологических стадиях: стадии подваривания сырья, специальной стадии осахаривания крахмала при оптимальной для действия амилолитических сахарогенных ферментов температуре и, наконец, на стадии брожения, где создаются условия, оптимальные для жизнедеятельности дрожжей, но которые не вполне благоприятны для действия амилолитических ферментов (более низкие температуры и рН среды).

Если разваренную массу осахаривают солодовым молоком, то крахмал гидролизуется на 70 – 75 % до мальтозы и глюкозы и на 25 – 30 % до предельных декстринов, которые доосахариваются декстриназой солода или глюкоамилазой ферментных препаратов во время спиртового брожения сусла.

Сусло, полученное при осахаривании солодом, содержит 71 – 76 % мальтозы и 24 – 29 % глюкозы от суммы сбраживаемых

30