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

сахаров, а осахаренное ферментными препаратами - соответст-

венно 14 – 21 и 79 – 86 %.

Степень осахаривания определяется реакцией пробы сусла с йодом: при пробе на йод сусло не должно окрашиваться в красный, а тем более в фиолетовый цвет. Желательно, чтобы соотношение мальтозы и декстринов в сусле из картофеля, кукурузы и проса находилось в пределах 4 : 1, а в ячменном, ржаном и овсяном сусле не меньше 3,5 : 1.

Воснову технологии способа «мягкого» разваривания сырья в спиртовом производстве был положен метод гидроферментативного растворения веществ зерна, где технологический фактор растворения этих веществ – не температура разваривания сырья, при которой протекают процессы термогидратации и термогидролиза крахмала, а фактор времени протекания ферментативных и гидродинамических процессов. Гидродинамическая обработка замеса позволяет сохранить в сусле вещества зерна, потребляемые дрожжами: аминокислоты и пептиды; глюкозу и фруктозу; молочную, яблочную, янтарную кислоты; витамины. Кроме того, при гидродинамической обработке в замесе сохраняются ферменты сырья – амилаза, целлюлаза, гемицеллюлаза, глюканаза, протеаза, липаза, фосфатаза, которые обеспечивают частичный гидролиз органических веществ зерна, позволяющие сократит расход ферментных препаратов. Жирные кислоты, образующиеся в результате гидролиза липидов, увеличивают кислотность сусла, снижается расход серной кислоты на дрожжегенерацию.

Впивоварении применяют раздельный способ затирания несоложеного дробленого ячменя с целью предварительной клейстеризации крахмала.

Сущность процесса затирания заключается в переводе нерастворенных веществ солода и добавленных к нему несоложеных зернопродуктов в растворимое состояние посредством ферментативного гидролиза.

Всолоде содержится небольшое количество водорастворимых веществ (10 – 15 % к массе сухих веществ). К водорастворимым веществам относятся: сахара, часть белков и продуктов их распада, небольшие количества пентозанов, пентоз, гексозанов и

31

гексоз, пектина, дубильных и горьких кислот. Самая же значительная часть солодового зерна – крахмал – нерастворима. Для перехода в растворимое состояние крахмал и белки должны быть подвергнуты ферментативному гидролизу. Амилазы, расщепляя крахмал, образуют мальтозу, глюкозу, мальтотриозу, мальтодекстрины; протеолитические ферменты превращают сложные нерастворимые белковые вещества в простые растворимые азотистые вещества. Средствами регулирования ферментативных процессов при затирании служат температура, рН среды. Изменение температуры является важным средством регулирования биохимических процессов.

Для регулирования ферментативного гидролиза крахмала принимаются температуры 65, 70 и 78 оС. Температура 65 оС является оптимальной для образования мальтозы, так как температурный оптимум для β амилазы колеблется в пределах 60…65 оС; при этой температуре образуется основное количество сбраживаемых сахаров. Температура 70 оС – оптимальная температура для образования декстринов, так как она является оптимальной для действия α-амилазы. Температура 78 оС – максимальная температура осахаривания, при которой еще наблюдается действие α-амилазы и происходит образование декстринов. При температуре 70…75 оС происходит более быстрое расщепление крахмала, но образуется больше декстринов, чем в температурном интервале 60…65 оС.

Для регулирования расщепления белковых веществ важны температуры 50 и 60 оС. В температурном интервале от 45 до 50 оС, называемой белковой паузой, достигается лучшее расщепление белковых веществ; температура 50 оС является наиболее благоприятной для накопления низкомолекулярных фракций – аминокислот. Температура 60 оС оптимальна для образования альбумоз.

В ходе затирания при указанных температурах делают выдержки – паузы различной продолжительности с учетом качества перерабатываемого сырья. Увеличивая продолжительность осахаривания при оптимальной температуре, накапливают большее количество мальтозы. Таким образом, посредством коротких или

32

длительных пауз при указанных выше температурах возможно регулировать гидролиз белковых веществ и крахмала.

Содержание сбраживаемых углеводов в сусле определяют методом Вильштеттера-Шудля, а также методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Методика выполнения измерений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии распространяется на вина виноградные, оригинальные и плодовые, напитки винные и безалкогольные, сусло, соки и виноматериалы и устанавливает метод определения массовой концентрации углеводов (сахарозы, глюкозы, фруктозы), в частности, с целью установления подлинности напитка, содержащего эти углеводы.

Метод обеспечивает получение результатов измерений массовой концентрации сахарозы, глюкозы, фруктозы в пробах напитков в диапазонах измерения 500 – 80000 (мг/дм3).

Отбор проб сусла осуществляют в стеклянные емкости, предварительно вымытые и тщательно высушенные.

Пробоподготовка состоит из стадий отбора пробы, смешивания точного объема пробы с точным объемом спирта изопропилового, процесса твердофазной экстракции смеси на картрид-

жах strata SDB-L.

При наличии взвешенных частиц отобранную пробу предварительно центрифугируют, супернатант (надосадочную жидкость) фильтруют с помощью одноразового шприца через фильтрующую нейлоновую насадку, отбирают точный объем пробы (фильтрата), смешивают с точным объемом спирта изопропилового, смесь подвергают очистке с помощью твердофазной экстракции ТФЭ на картриджах strata SDB-L.

Процедура пробоподготовки представлена на рисунке.

Для хроматографического разделения углеводов необходимо использовать изократическую высокоэффективную хроматографическую систему с рефрактометрическим детектированием.

Для проведения анализа предварительно готовят градуировочные растворы смеси углеводов из навесок сахарозы, глюкозы моногидрата и фруктозы; проводят пробоподготовку; подготавливают к работе прибор.

33

Рисунок. Блок-схема процедуры пробоподготовки

Градуировочные растворы готовят и используют в день определения.

Для обеспечения хроматографического определения углеводов применяют оборудование: хроматограф жидкостный «Стайер» с рефрактометрическим детектором; персональный компьютер с установленным программным обеспечением «МультиХром для Windows XP» версии 1.5 или 2х.

Условия хроматографирования:

−изократический режим;

−колонка: Rezex RCM-Monosaccharide 300х7,8 мм 8 мкм (Phenomenex, США);

−защитная колонка: Carbo-Ca2+ (4х3,0 мм) (Phenomenex,

США);

−подвижная фаза: бидистиллированная вода;

−скорость потока: 0,6 мл/мин;

−объем петли: 20 мкл;

−детектирование: рефрактометрическое;

−температура термостата: 85 °С.

34

Градуировку проводят по градуировочным растворам (во всем диапазоне определяемых концентраций) не реже 1 раза в квартал, а также при использовании новой партии реактивов, замене колонок и после ремонта хроматографа.

Определение количественного содержания углеводов в пробе сусла

Для определения количественного содержания компонентов пробы (сахарозы, глюкозы, фруктозы) проводят хроматографический анализ одного из градуировочных растворов и далее хроматографический анализ подготовленной пробы. Для достоверности измерений хроматографический анализ как градуировочного раствора, так и подготовленной пробы проводят не менее 2 раз подряд.

Используя установленное программное обеспечение – «МультиХром для Windows XP» в отчете или над пиком (в зависимости от установок опций «ВИД») по окончании измерения автоматически определяется результат в виде концентрации определяемых углеводов. Для получения результата необходимо провести два параллельных измерения (получить две хроматограммы).

За результат измерений принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений

Лабораторная работа

Изменение углеводного состава сусла при водно-тепловой обработке и осахаривании крахмалсодержащего сырья

Цель работы: изучить динамику гидролиза крахмала с образование сахаров и низкомолекулярных декстринов на стадии водно-тепловой обработки зернового сырья в производстве спирта и пива.

Оборудование, материалы и реактивы: ячмень и ячмен-

ный солод; ферментный препарат, содержащий α–амилазу; водя-

35

ные бани, заторные стаканы вместимостью 0,5 дм3, мерные пипетки, колбы, воронки, бумажные фильтры, бюретки; реактивы для определения сахаров методом Вильштеттера – Шудля.

Проведение анализа

Приготовление зернового замеса. Зерно очищают от метал-

лических и сорных примесей. Остаточная сорность в зерне не должна превышать 1 %. Требования к измельченному зерну – проход через сито с диаметром отверстий 1 мм не менее 80 %, для кукурузы – не менее 90 %; остаток на сите 3 мм – отсутствует.

В предварительно взвешенную, сухую коническую колбу вместимостью 0,5 дм3 помещают 50 г зернового помола (СП ≥ 80 %), смешивают с теплой водопроводной водой температурой 60 - 65 оС и α-амилазой в виде ферментного препарата Амилосубтилин Гх из расчета 2,0 ед./г крахмала. Соотношение зерна и воды (ГМ) 1:2,8 – 1:3,5 (до 1:4,0). При этом массовая доля сухих веществ – 16 – 18 % по сахаромеру. Замес выдерживаются в течение 10 – 12 мин при температуре 50 – 55 оС и периодическом перемешивании.

На данной стадии происходит разжижение крахмала и растворение сухих веществ. За счет действия α-амилазы обеспечивается нормальная текучесть массы.

Ферментативно-тепловая обработка сырья. Замес подвер-

гают гидродинамической обработке. С этой целью проводят выдержку замеса в течение 1 ч при температуре 60 – 65 оС. При этом происходит дальнейшее растворение крахмала и сухих веществ за счет действия α - амилазы.

Кислотность и рН массы в процессе гидродинамической обработки меняется незначительно. Величина рН массы – 5,5 – 6,0.

Ферментативную обработку замеса проводят следующим образом: при 50 – 55 оС выдерживают в течение 10 – 12 мин; при 65 – 70 оС выдерживают в течение 60 – 70 мин; при 72 – 75 оС выдерживают в течение 15-16 мин; при 85 – 95 оС выдерживают в течение 15-16 мин.

36

При температуре 70 – 80 оС происходит интенсивная клейстеризация крахмала с одновременным разжижающим действием на крахмал бактериальной α - амилазы.

При температуре 85 – 95 оС клейстеризуются наиболее труднодоступные для воздействия воды и тепла крупные крахмальные гранулы.

Во время водно-тепловой обработки отбирают по 10 см3 пробы разваренной массы и определяют в них содержание сбраживаемых углеводов методом Вильштеттера – Шудля или методом жидкостной хроматографии на различных этапах:

-после выдержки замеса при 55 оС;

-после выдержки замеса при 70 оС;

-после окончания ферментативной и тепловой обработки. Делают вывод об изменении углеводного состава сусла.

Приготовление затора по технологии пивоварения. Пред-

варительно проводят дробление солода и ячменя, на лабораторной мельнице для получения помола примерно следующего состава, %:

-муки 20 ... 30;

-крупки 50 ... 60;

-шелухи 20.

В заторный стакан вносят 20 г дробленого ячменного солода и 40 г ячменя и добавляют теплую воду с температурой 45 оС в соотношении 1 : 3 (180 см3).

Затирание начинают при температуре 45 оС, затем процесс проводят по следующему режиму:

выдержка при 45 оС…………………..30 мин подогрев до 52 оС…………………….12 мин выдержка при 52 оС…………………..12 мин подогрев до 63 оС…………………….10 мин выдержка при 63 оС…………………..15 мин подогрев до 70 оС…………………….10 мин выдержка до полного осахаривания по йодной пробе.

Во время приготовления замеса отбирают по 10 см3 проб и определяют в них содержание сбраживаемых углеводов методом Вильштеттера – Шудля либо хроматографическим методом:

- после выдержки затора при 45 оС;

37

должается 72 ч, а при непрерывном – 60 – 62 ч. Если количество вводимой в сусло глюкоамилазы увеличить до 15 ед на 1 г крахмала сырья, то брожение заканчивается в течение 36 ч. Но, поскольку стоимость ферментных препаратов довольно высока, применение их в большом количестве экономически нецелесообразно.

Технологические показатели зрелой бражки: содержание спирта 8 – 9,5 %, сбраживаемых углеводов 0,25 – 0,45 %, крахма-

ла 0,003 – 0,2 %.

Основным показателем качества процесса брожения является содержание в бражке общего количества растворимых сбраживаемых углеводов, которые определяют колориметрическим антроновым методом.

Помимо сбраживаемых углеводов в бражке всегда присутствуют несбраживаемые (пентозы и пентозаны), и при гидролизе сложных сбраживаемых углеводов до глюкозы присутствующие в растворах пентозаны гидролизуются до пентоз (арабиноза и ксилоза), которые и определяются вместе с глюкозой по редуцирующим свойствам. Следовательно, в растворах после гидролиза надо определять массовую долю общих углеводов: сбраживаемых и несбраживаемых. При определении только сбраживаемых углеводов в анализируемом растворе необходимо одновременно определять содержание пентоз. По разности между полученными величинами устанавливают массовую долю растворимых сбраживаемых углеводов.

Колориметрическим антроновым методом можно определять массовую долю растворимых сбраживаемых углеводов (гексоз) в присутствии несбраживаемых (пентоз) без предварительного гидролиза сложных углеводов, так как их гидролиз проходит в процессе реакции с антроновым реактивом.

Антроновым методом можно также определять состав углеводов, содержащихся в бражке (декстринов, олигосахаридов и нерастворенного крахмала). Эти углеводы определяют в тех случаях, когда в процессе производства спирта наблюдаются отклонения от нормального технологического процесса.

Массовую долю нерастворенного крахмала дополнительно определяют в том случае, когда перерабатывают смешанное зер-

39

но, дефектное или когда процесс разваривания отличается от нормального, а также в том случае, когда для производства солода применяется зерно с низкой прорастаемостью. Крахмал в бражке получается главным образом за счет нерастворимого крахмала солода.

Массовую долю спирторастворимых углеводов и декстринов определяют в тех случаях, когда в бражке повышенное количество несброженных углеводов. Эти показатели позволяют выяснить причины повышения их содержания.

Для определения массовой доли нерастворенного крахмала в бражке его переводят в растворимые продукты путем гидролиза раствором серной кислоты с массовой долей 0,53 % и в полученном гидролизате определяют массовую долю общих сбраживаемых углеводов антроновым колориметрическим методом. По разности между массовой долей общих и растворимых сбраживаемых углеводов устанавливают массовую долю нерастворенного крахмала.

Для определения массовой доли спирторастворимых углеводов используют колориметрический антроновый метод. По разности между массовой долей растворимых сбраживаемых углеводов и спирторастворимых углеводов устанавливают количество декстринов.

Углеводный состав бражки можно проанализировать с помощью жидкостной хроматографии (см. раздел 3).

Лабораторная работа

Изменение углеводного состава сусла при спиртовом брожении

Цель работы: изучить динамику изменения углеводного состава сусла во время спиртового брожения в производстве спирта.

Материалы, реактивы и приборы: осахаренный зерновой замес, раствор антрона с массовой долей 0,2 %, стеклянные кол-

40