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

бы, бумажные и полотняные фильтры, ФЭК или спектрофотометр.

Проведение анализа

В осахаренный зерновой замес, охлажденный до температуры 28 – 30 оС вносят дрожжи в количестве 10 г на 1 дм3 осахаренной зерновой массы. Колбы закрывают ватными пробками и оставляют в термостате для брожения при температуре 30 оС.

Через 24, 48 и 72 ч отбирают жидкую часть бражки, фильтруют и определяют количество несброженных углеводов в бражке колориметрическим методом.

Колориметрическое определение общего количества рас- творимых несброженных углеводов. Метод основан на расщеп-

лении сложных углеводов до моносахаров в сильнокислой среде с последующей их дегидратацией и образованием оксиметилфурфурола, который, вступая в реакцию с антроном, образует комплексное соединение синевато-зеленого цвета.

Подготовка фильтрата зрелой бражки к анализу. Ото-

бранную пробу бражки фильтруют сначала через полотняный фильтр, затем через бумажный. Первые 20 см3 фильтрата отбрасывают, а последующие используют для анализа. Фильтрат разбавляют дистиллированной водой с таким расчетом, чтобы в разбавленном растворе содержалось от 4 до 10 мг/100 см3 углеводов, т. е. примерно в 50 – 100 раз. В разбавленном растворе определяют содержание углеводов.

В пробирку вместимостью 20 см3 с пришлифованной пробкой вносят 5 см3 антронового реактива. Осторожно по стенке пробирки приливают 2,5 см3 разбавленного исследуемого раствора так, чтобы жидкости не смешивались, а образовывали два слоя. Пробирку закрывают пробкой, энергично встряхивают в течение 10 с, помещают в штатив, который помещают на водяную баню при температуре кипения на 6 мин. Кипение воды в бане после погружения штатива с пробиркой должно возобновиться в течение 0,5 мин.

Параллельно таким же способом готовят контрольную пробу, добавляя к 5 см3 антронового реактива вместо исследуемого раствора 2,5 см3 дистиллированной воды.

41

По истечении 6 мин штатив с пробирками вынимают из кипящей бани и погружают в баню с проточной холодной водой, охлаждая содержимое пробирок до 20 °С.

Раствор в опытной пробе приобретает синевато-зеленую окраску, интенсивность которой измеряют на фотоэлектроколориметре с двумя светофильтрами в сравнении с раствором контрольной пробы, используя кюветы с шириной рабочей грани 5 мм и светофильтры с длиной волн 610 и 413 нм.

В результате колориметрирования получают два значения оптической плотности D1 и D2, используя которые определяют массовую долю сбраживаемых углеводов (Сс, %) по формулам

Пример. Анализировали фильтрат бражки, который разбавили в 50 раз (n = 50). После реакции с антроновым реактивом и последующего колориметрирования на ФЭК-56М получены зна-

чения D1 = 0,456 и D2 = 0,120.

Массовая доля растворимых несброженных углеводов Ср.у, г/100 см3, в зрелой бражке составит

Ср.у = [16,97 · (0,45 – 0,120) · 50] / 1000 = 0,285.

Контрольные вопросы

1. Каков углеводный состав бражки из зернового сырья?

2.Какие процессы происходят при сбраживании сусла?

3.Какие методы предусмотрены для определения содержания несброженных углеводов в спиртовой бражке?

4.От чего зависит длительность сбраживания сусла?

5.В каком случае определяют в бражке массовую долю нерастворенного крахмала, массовую долю спирторастворимых углеводов и декстринов?

42

5.АЗОТИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА СПИРТОВОЙ БРАЖКИ

Врезультате действия протеолитических ферментов в процессе приготовления зернового замеса сложные белки гидролизуются до альбумоз, пептонов, полипептидов, пептидов и аминокислот. Аминокислоты переходят в сусло.

Аминокислоты имеют большое значение для питания

дрожжей. Дрожжи потребляют, как минимум, 10 – 14 мг α-аминного азота на 100 см3 сусла.

Так как аминокислота пролин в качестве поставщика

α-аминокислоты для дрожжей не используется, то в сусле должно содержаться аминного азота не менее 30 мг/100 см3. Если этого значения не удастся обеспечить, то это приводит в пивоварении:

кснижению скорости размножения дрожжей; к торможению процессов брожения и созревания; к сохранению в пиве нежелательных веществ, придающих ему оттенки вкуса и аромата молодого пива.

Из хорошо растворенного солода всегда получают сусло, содержащее достаточное количество аминокислот. Разумеется, если при приготовлении пивного сусла применять несоложеное сырье, сахар или сироп, то количество аминокислот в сулее не

увеличивается и следует проводить аминокислотную паузу при 45 – 50 оС. Однако если применять хорошо растворенный солод,

то ради образования низкомолекулярных продуктов расщепления белков не имеет смысла выдерживать паузу при 45 – 50 оС. В этом случае продолжительная пауза при 45 – 50 оС всегда дает в последующем плохую пену.

Вспиртовом производстве наличие аминного азота при сбраживании также имеет большое значение. С одной стороны, аминокислоты служат важнейшим источником азота для осуществления жизнедеятельности дрожжевых клеток, а с другой – являются исходным материалом для образования побочных продуктов при спиртовом брожении (высших спиртов), поэтому

нормативным значением для спиртового производства является содержание аминного азота в сусле не более 25 – 30 мг/100 см3.

Для определения содержания аминного азота применяют химические и хроматографические методы. Аминокислотные

43

анализаторы состоят из следующих модулей: градиентной жидкостной системы Acme–9000, системы пост – колоночной дериватизации Pinnacle PCX с набором расходных материалов и стандартных образцов аминокислот, УФ/ВИД детектора, либо флуориметрического детектора.

Один из методов определения аминокислот состоит в том, что после разделения аминокислоты обрабатываются нингидрином (в реакторе системы Pinnacle PCX) и детектируются УФ/ВИД детектором. Этот метод применим для анализов гидролизатов образцов растительного и животного происхождения, продуктов питания – то есть в тех случаях, когда нет больших требований к чувствительности метода. В другом случае аминокислоты обрабатываются ортофталевым альдегидом, ОРА (в реакторе системы Pinnacle PCX) с последующим детектированием ОРА производных аминокислот флуориметрическим детектором. Этот метод пригоден для анализа следовых количеств аминокислот, поэтому в основном применяется в медицине.

На рисунке представлен пример хроматограммы, полученной на аминоанализаторе для количественного определения аминокислот. Среди них: 1 – фосфосерин, 5 – аспарагиновая кислота, 14 – пролин, 15 – глицин, 16 – аланин и другие.

Рисунок. Хроматограмма аминокислотного состава смеси, полученная с помощью аминоанализатора

44

Лабораторная работа

Изменение азотистого состава сусла в процессе спиртового брожения

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

Материалы и реактивы: мерные колбы, бумажные фильтры, образцы спиртовой бражки после 24, 48, 72 ч брожения; раствор хлорной меди; раствор трехзамещенного фосфата натрия; боратный буферный раствор; суспензия фосфорнокислой меди (1 объем хлорной меди смешивают с 2 объемами раствора фосфата натрия и приливают 2 объема раствора боратного буфера; суспензию можно использовать в течение 2...3 сут); раствор тимолфталеина; 0,01 моль/дм3 раствор тиосульфата натрия (Na2S2О3); уксусная кислота массовой долей 80 % (ледяная); раствор крахмала с массовой долей 1 %.

Проведение анализа

Через 24, 48 и 72 ч брожения отбирают жидкую часть бражки, фильтруют и определяют количество аминного азота йодометрическим методом (по Попу и Стивенсу)

Метод основан на способности большинства аминокислот и пептидов образовывать с медью растворимые комплексные соединения («медный способ»). Избыток меди оттитровывают, а ее количество, эквивалентное аминному азоту, уксусной кислотой переводят в соль уксусной кислоты и количественно определяют йодометрическим титрованием.

В мерную колбу вместимостью 50 см3 помещают 5 – 10 см3 прозрачного фильтрата бражки, прибавляют 3...4 капли тимолфталеина и 1 моль/дм3 раствор гидроокиси натрия до бледноголубого окрашивания. После перемешивания осторожно приливают 30 см3 суспензии фосфорнокислой меди и доводят до метки дистиллированной водой. Смесь после тщательного перемешива-

45

6. СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ В СПИРТЕ-РЕКТИФИКАТЕ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СЫРЬЯ

Летучие примеси, сопутствующие спирту, характеризуются большим разнообразием, в настоящее время их идентифицировано более 70, но общее содержание невелико – обычно не превышает 0,5 % от количества этилового спирта. Все летучие примеси можно разделить на 4 группы: спирты, альдегиды, кислоты и эфиры. Кроме того, выделяют группу азотистых веществ (аммиак, амины, аминокислоты), серосодержащих веществ (сероводород, сернистый ангидрид, сульфокислоты, меркаптаны).

Пути образования примесей можно разделить на метаболический (определяемый видом используемых дрожжей, биохимическим составом сусла, условиями их культивирования, уровнем инфицированности сбраживаемых масс, родовой и видовой принадлежности посторонней микрофлоры сырья) и технологический (ботанический состав, дефектность сырья, тепловые режимы разваривания, технология выделения и ректификации спирта). Основными продуктами спиртового брожения, прежде всего, являются этанол и углекислый газ. Наряду с этими соединениями образуются высшие спирты, кислоты, эфиры, альдегиды, дикетоны (диацетил, ацетоин) и др.

Изучение обмена веществ дрожжей и установление факторов, влияющих на этот обмен и образование ими побочных продуктов, имеет большое теоретическое и практическое значение, т.к. количественное содержание их часто определяет качество водок.

При интенсификации спиртового брожения управляющими

идействующими факторами, часто используемыми для этих целей, являются температура, количество засевных дрожжей и рациональный выбор расы дрожжей.

Использование повышенных количеств засевных дрожжей

итемпературы сбраживания приводит к изменению концентрации не только высших спиртов как имеющих высокий удельный вес среди метаболитов, возникающих при конструктивном обмене веществ у дрожжей, но и других побочных продуктов, прежде

47

всего диацетила и ацетоина. Все эти метаболиты оказывают существенное влияние на вкус и аромат готового продукта.

Образование побочных продуктов брожения и синтез запасных веществ дрожжей зависят от условий процесса. Значительное влияние называет азотный обмен дрожжей и их размножение. Некоторые продукты (например, пируват) накапливаются при размножении, другие (ацетат) – когда дрожжевые клетки не растут. Так как на построение биомассы дрожжей используется часть энергии, полученной от брожения, то изменение степени роста означает, что больше или меньше энергии может быть использовано для синтеза побочных продуктов брожения, например, при стимулировании роста дрожжей образуется меньше эфиров и больше высших спиртов.

Более высокая норма введения дрожжей, повышение температуры, брожение под давлением увеличивают образование альдегидов, перемешивание – уменьшает. В случае брожения под давлением образование высших спиртов и эфиров уменьшается. На содержание летучих дикетонов давление не влияет.

Спирт из бражки выделяют с помощью перегонки на сырцовых и брагоперегонных установках. При этом вместе с ним отгоняется и значительная часть сопутствующих летучих примесей. Получаемый при этом продукт называется спиртом-сырцом. Ректификованный спирт получают непосредственно из бражки или путем очистки спирта-сырца от примесей ректификацией. В спиртовом производстве ректификованный спирт получают исключительно из бражки.

Различают шесть видов ректификованного спирта (ГОСТ Р 51652 – 2000): 1-го сорта, высшей очистки, «Базис», «Экстра, «Люкс», «Альфа».

Газохроматографический метод определения подлинности водок и спирта этилового основан на установлении в них количества микропримесей: сивушного масла (2-бутанола, 1-пентанола, 1-гексанола), кротональдегида, кетонов (ацетона, 2-бутанона), ароматических спиртов (бензилового, 2-фенилэтанола), ароматического альдегида (бензальдегида), этилового эфира, диэтилфталата.

48

Метод основан на хроматографическом разделении микропримесей в образце водки или спирта и последующем их детектировании пламенно-ионизационным детектором. Продолжительность анализа не более 45 мин. Заключение о подлинности водки или спирта делают в зависимости от присутствия на хроматограмме анализа таких веществ, как этиловый эфир, ацетон, 2-бутанон, 2-бутанол, кротональдегид, 1-пентанол, 1-гексанол, бензиловый спирт, бензальдегид, 2-фенилэтанол, диэтилфталат (рисунок).

Рисунок. Хроматограмма анализа градуировочной смеси, полученная на хроматографе, оснащенном капиллярной колонкой HP-FFAP: 1 – этиловый эфир; 2 – уксусный альдегид; 3 – ацетон; 4 – метилацетат; 5 – этилацетат; 6 – метанол; 7 – 2-бутанон; 8 – 2-пропанол; 9 – этанол; 10 – 2-бутанол; 11 – 1-пропанол; 12 – кротональдегид; 13 – изобутиловый спирт; 14 – 1-бутанол; 15 – изоамиловый спирт; 16 –1-пентанол; 17 – 1-гексанол; 18 – бензальдегид; 19 – бензиловый спирт; 20 – 2-фенилэтанол; 21 – диэтилфталат.

Лабораторная работа

Исследование качественного и количественного состава примесей в спирте-ректификате из различных видов сырья

Цель работы: изучить основные методики анализа этилового спирта и оценить его качество в соответствии с показателями государственного стандарта.

Оборудование и материалы: хроматограф газовый; образцы спиртов из различного сырья.

49

Проведение анализа

Газохроматографический метод определения подлинно- сти водок и спирта этилового (ГОСТ Р 51786-2001). Сначала осуществляют градуировку хроматографа, используя не менее трех градуировочных смесей, соответствующих началу, середине и концу диапазона измеряемых концентраций.

В инжектор микрошприцем вместимостью 10, 5, или 1 мм3 вводят 1 мм3 образцов спирта этилового ректификованного и выполняют хроматографическое разделение смеси.

Регистрируют пики в области времени удерживания, соответствующего каждому веществу градуировочной смеси. Проводят два параллельных анализа образца. Обработку результатов измерений выполняют, используя программное обеспечение входящих в комплект хроматографа ПК.

Записывают результаты в виде таблицы, включающей наименование компонента и его количество. Делают вывод о различии состава примесей в спиртах из различного сырья.

Контрольные вопросы

1. Каковы принципы хроматографического разделения компонентов смеси легколетучих компонентов смесей?

2.В чем заключается газохроматографический метод определения подлинности водок и спирта этилового?

3.Каковы различия в количественном и качественном составе примесей этилового спирта из мелассы и зернового сырья?

4.Какие группы летучих примесей вам известны?

5.Какие виды ректификованного спирта вы знаете?

50