Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоконверсия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
сухой массе затертого солода. В сухом веществе дробины содержится: водораство-
римых веществ -7,50; углеводов, помимо крахмала - 51,09; крахмала - 1,59; легкогидролизуемых полисахаридов - 21,32; трудногидролизуемых полисахаридов 24,66; уроновых кислот - 3,80; лигнина - 10,05; сырого протеина - 27,00 и золы 5,50
%.
Солодовая дробина в свежем и сухом виде используется на корм скоту, но
из-за высокого содержания клетчатки не должна составлять более трети рациона
животных. Сырая дробина быстро закисает и плесневеет, срок ее хранения не более
суток. Сохранность пивной дробины обеспечивает силосование или консервирова-
ние (пропионовой, муравьиной кислотой), а также сушка при температуре не выше
60 °С.
Солодовые ростки - это корешки свежепроросшего солода, отделяемые на
росткоотбойных машинах при сушке солода. Солодовые ростки богаты витамина-
ми, аминокислотами, сахарами, они представляют высокоценный корм. Однако из-
за горького привкуса, который дает алкалоид горденин, а также высокого содержа-
ния аминокислоты аспарагина и зольных веществ, солодовые ростки применяют
лишь в сочетании с другими видами кормов. В микробиологической промышлен-
ности солодовые ростки и их водные экстракты используют как стимуляторы био-
синтеза ферментов, антибиотиков.
Зерновые отходы в пивоваренном производстве получаются в процессе
очистки ячменя на зерноочистительных сепараторах. Зерновые отходы - это щуп-
лые семена, половинки зерен, минеральные примеси (пыль, песок и пр.) Количе-
ство этих отходов составляет около 2 % к массе зерна.
Сплав зерна образуется при замачивании ячменя в замочных чанах, его ко-
личество 1-2 % к массе ячменя.
Белковый отстой представляет собой осадок, образующийся при охлажде-
нии пивного сусла. Он включает скоагулированные высокомолекулярные веще-
ства, а также механически включенное сусло. Выход белкового отстоя составляет
2-3 % к массе засыпи и несоложеного сырья, при влажности 80 %. Белковый отстой
имеет высокую питательную ценность, но его не используют в качестве корма из-
61
за неустранимой горечи, создаваемой хмелевыми смолами. Небольшую часть от-
стоя реализуют в виде корма в смеси с солодовой дробиной.
Пивные дрожжи накапливаются в бродильных чанах при брожении пивного
сусла. Около 40 % этих дрожжей используют в новых циклах брожения, а 60 % яв-
ляются отходом (избыточные или остаточные дрожжи). Выход остаточных
дрожжей составляет 0,1-0,2 % от массы пива. Их используют в качестве лечебных
и питательных препаратов, как сырье для получения белковых препаратов и вита-
мина Д2, а также на корм скоту. Жидкие остаточные дрожжи нестойки при хране-
нии, они имеют горький вкус, и потому на корм их берут немного. Значительная
часть остаточных дрожжей остается неиспользованной.
Спиртовая промышленность. На предприятиях спиртовой промышленности спирт вырабатывают из двух видов сырья - мелассы и крахмалистых продуктов
(картофеля и различных видов зерна). Основным видом вторичного сырья расти-
тельной природы является зернокартофельная послеспиртовая барда, образующа-
яся после перегонки бражки и отделения спирта. Общее количество отходов при
получении спирта из крахмалистого сырья составляет 30-35 % к массе сырья.
Основная масса зернокартофельной барды скармливается животным в нату-
ральном виде. Полное использование барды в свежем виде затруднительно из-за
сложностей транспортировки. Более рациональным способом утилизации барды
является производство на ее основе кормовых дрожжей, однако в этом процессе
используется лишь 7-8 % ее объема.
Крахмало-паточная промышленность. Основными продуктами отрасли яв-
ляются: сухой крахмал, крахмальная патока, глюкоза. Для выработки крахмало-
продуктов используют картофель, кукурузу, пшеницу, а основными видами вто-
ричного сырья, представляющими интерес для биоконверсии, являются карто-
фельная мезга и клеточный сок.
В мезгу переходит от 3 % до 7 % сухих веществ картофеля, а количество
связанного крахмала в мезге составляет 40-60 % ее массы. Выход мезги в сыром
виде колеблется в пределах 11-45 % к массе картофеля, в зависимости от применя-
емой технологии переработки. В сыром виде картофельная мезга используется на
62
корм скоту. Мезга - скоропортящийся продукт, ее необходимо скармливать в течение суток.
Клеточный сок, содержащий в среднем 6 % СВ, образуется в количестве 50
% к массе перерабатываемого сырья. Часто картофельный сок смешивают с мезгой
и приготавливают сырой картофельный корм с содержанием СВ до 8 %. Выход такого корма составляет 90 % к массе картофеля, взятого на переработку.
Чайная промышленность. Вторичное сырье чайной промышленности - это
чайная пыль, сметки, волоски и черешки. Чайные отходы частично используют при
выработке чайных экстрактов, концентратов и красителя. Для этой цели пригодны
также грубые и огрубевшие части чайного растения и низкосортная нереализуемая
продукция байхового чая. Разваренные чайные отходы после получения чайных
экстрактов, концентратов и красителя, вместе с неиспользованной частью отходов
чайной промышленности представляют интерес как сырье для биоконверсии.
Эфиро-масличная промышленность. Перерабатывает зерновое (кориандр,
анис, фенхель), травянистое (лаванда, шалфей, герань, базилик и др.) и цветочное
(роза) эфиро-масличное сырье. В группе зернового сырья основным является кориандр. В результате его переработки получают эфирное масло (1,1-1,35 %), жирное
кориандровое масло (17 %); отходы, пригодные для биоконверсии, сотавляют 65 %
к массе сырья. При переработке травянистого и цветочного сырья в отходы пере-
ходит 95 % растительной массы.
Предпринимаются попытки использовать эфиро-масличные отходы в качестве корма - в виде силоса, компоста, кормовой муки, а также при производстве
стройматериалов.
Масло-жировая промышленность. Основными отходами данной отрасли,
представляющими интерес для биоконверсии, являются подсолнечная лузга и
хлопковая шелуха, которые из-за низкой кормовой ценности почти не применяют-
ся как кормовые продукты. Препятствием к использованию подсолнечной лузги
является и то, что при ее измельчении образуются частицы игольчатой структуры,
которые повреждают пищеварительный тракт животных.
Подсолнечная лузга отделяется от семян в процессе их подготовки к извле-
чению масла. Лузжистость промышленных сортов подсолнечника составляет 19-33
63
%, соответственно количество отделяемой лузги - до 30 % к массе семян. Лузга содержит 52-66 % клетчатки, 24,8-29,6 % лигнина, 1,5-3,5 % жира. Лузгу используют
для получения гидролизатов, на которых выращивают кормовые дрожжи по техно-
логическим схемам гидролизной промышленности, однако рентабельность такой
технологии низкая, а производство экологически опасно. Поэтому такой путь реа-
лизации лузги неперспективен. В настоящее время практически вся лузга сжигает-
ся в топках котлов маслозаводов.
Хлопковая шелуха образуется при шелушении хлопковых семян перед от-
делением масла. Выход шелухи - около 34 % к массе семян. В шелухе содержится
36-48 % целлюлозы, 19-32 % лигнина, 3-9 % сырого протеина. Хлопковая шелуха
имеет низкую кормовую ценность, последняя несколько повышается после влаго-
тепловой обработки. Обработанная шелуха по кормовому достоинству близка к
пшеничной соломе.
Разработана технология комплексной переработки хлопковой шелухи с по-
лучением кормовых дрожжей, препаратов пектина, ксилозы, фурфурола, этилового
спирта и других продуктов. Для реализации такой технологии необходимо строи-
тельство крупнотоннажных экологически опасных предприятий, так что проблема
утилизации хлопковой шелухи сохраняется.
Зерноперерабатывающая промышленность. Зерноперерабатывающая промышленность объединяет мукомольное и крупяное производство.
В результате подготовки зерна пшеницы и ржи к помолу образуются три ка-
тегории отходов: 1 - зерновые отходы с содержанием зерна 30-50 % и 10-30 %,
мучные вытряски, мучной смет и пыль обоечная серая; 2 - зерновые отходы с содержанием зерна 2-10 % и пыль обоечная серая; 3 - отходы от очистки зерна, содержащие его не более 2 %, и соломенные частицы. Количество отходов составляет: 1 и 2 категории – 2-3 %, 3 категории - 0,7-0,8 %, а всего 2,7-3,7 % от массы переработанного зерна.
При помоле пшеницы и ржи образуются отруби и кормовые мучки. Выход
отрубей составляет: при получении обойной муки из пшеницы и ржи 1-2 %, муки 2
сорта из пшеницы - 11,5 %, муки высшего сорта - 18,5 %, манной крупы -20,34 %,
при сортовом помоле пшеницы – 25 %, при получении обдирной муки из ржи – 9
64
%. При помоле зерна пшеницы в муку высшего сорта выход кормовой муки со-
ставляет 5,5 %. Средний сумарный выход отрубей и кормовой мучки из пшеницы не менее 12 % перерабатываемого сырья.
При выработке круп из гречихи, овса, проса, ячменя, риса, гороха также об-
разуются отходы трех категорий и кормовые мучки. Суммарный выход их состав-
ляет: при переработке гречихи 31-33, овса - 31-48, проса - 34,5-36,5, ячменя - 34,358, риса - 34,3, гороха – 23 %. В среднем количество отходов можно принять за 35
% от перерабатываемого на крупы зерна.
Как отруби, так и зерновые отходы, за исключением отходов 3 категории,
используются преимущественно на кормовые цели. Эти ресурсы можно рассмат-
ривать и как субстраты для биоконверсии, поскольку в результате биоконверсии их
кормовую ценность можно повысить в 2-2,5 раза.
Общее количество отходов и вторичного сырья пищевых производств по
странам СНГ ежегодно составляет более 20 млн.т, около половины этого количе-
ства приходится на ресурсы зерноперерабатывающей промышленности. Принимая
выход целевых продуктов биоконверсии в среднем 70 % к массе исходного сырья,
получим среднегодовой ресурс около 15 млн.т (по сухому веществу) кормовых до-
бавок, обогащенных биологически активными веществами - белками, витаминами,
ферментами, а также легкоусвояемыми формами углеводов.
Пути переработки растительного сырья определяются его составом. Основу
растительной биомассы составляют полимеры углеводной природы - целлюлоза,
гемицеллюлоза, пектин, а также лигнин и белок (таблица 8). Последний является
наиболее ценным питательным компонентом, однако количество белка даже в
наиболее богатых им видах сырья не превышает 26 %. Исключение составляют семена бобовых культур, где содержание белка достигает 50 %. Такие виды расти-
тельного сырья, как солома злаков, лузга подсолнечника, отходы хлопчатника, чая
и др., очень бедны белком, и для их превращения в ценные корма требуется глубо-
кая биоконверсия. В процессе биоконверсии из продуктов расщепления углеводов
и из минеральных солей азота и других элементов синтезируется белок. Увеличе-
ние содержания белка является основным показателем эффективности биоконвер-
сии растительного сырья в пищевые продукты и корма.
65
Таблица 8 - Состав некоторых видов растительного сырья, в % к сухому
Вид сырья
Гемицеллюлоза
Целлюлоза
Пектин
Лигнин
Белок
Сумма
Пшеничные отруби
26,6
8,8
5,3
9,9
14,8
65,2
Лузга овса
24,0
22,1
9,5
14,3
2,0
71,9
Мучка овса
25,5
18,3
7,0
14,1
3,7
68,6
Створки зеленого го-
роха
16,0
25,9
9,9
8,4
14,8
75,0
Створки зрелого го-
роха
22,4
29,5
7,0
11,1
11,8
81,8
Ботва зрелого гороха
21,3
40,4
7,8
17,4
9,1
96,0
Кожура томатов
7,8
15,3
6,8
53,5
11,4
94,8
Свекловичный жом
37,4
20,1
8,4
8,3
11,8
86,0
Люцерна
20,4
22,4
6,7
15,8
16,8
82,1
Шрот люцерны
22,0
28,3
5,1
22,1
15.6
93,1
Эспарцет
22,7
30,4
4,2
14,4
21,7
93,4
Вика озимая
25,2
33,5
4,5
14,8
16,9
94,9
Борщевик
Сосновского
19,2
21,7
7,3
10,2
12,4
70,8
Древесина березы
22,3
44,4
-
27,4
-
94,1
Лист березы
14,4
10,2
7,1
15,7
12,5
59,9
Лист шелковицы
12,4
13,5
8,4
14,1
26,4
74,8
Лист тополя
12,9
11,3
6,5
15,1
25,0
70,8
Солома ячменя
27,0
33,8
-
14,5
4,5
79,8
Солома овса
16,0
39,4
-
17,5
4,0
76,9
Солома ржи
26,0
37,6
-
19,0
3,8
86,4
Солома пшеницы
36,0
39,9
-
16,7
2,6
95,2
веществу
Из числа углеводов сравнительно легко гидролизуются микробными фер-
ментами пектиновые вещества, а наиболее трудногидролизуемой является целлю-
лоза; гемицеллюлоза занимает промежуточное положение. Соответственно труднее
всего поддаются прямой биоконверсии субстраты с высоким содержанием целлю-
лозы, такие как древесина, солома, ботва, одревесневшие части растений. В резуль-
тате прямой биоконверсии эти виды сырья лишь незначительно обогащаются бел-
ком. Для повышения степени конверсии в белок трудногидролизируемые виды сы-
рья подвергают предварительной обработке различными способами.
66
2.3 Предобработка сырья
Предобработка сырья применяется для увеличения его доступности дей-
ствию микробных ферментов, частичной или полной деструкции комплексов био-
полимеров и их компонентов. Основной задачей предобработки является воздей-
ствие на структурные полимеры растений - целлюлозу, гемицеллюлозу, пектино-
вые вещества и лигнин. Эти полимеры создают прочность и жесткость клеточных
стенок растений, что является основным препятствием для ферментативной де-
струкции.
Механическое измельчение является наиболее простым способом предобра-
ботки растительного сырья. Измельчение позволяет увеличить удельную поверх-
ность материала, то есть площадь его контакта с химическими агентами или биока-
тализаторами. Это адекватно повышению реальной концентрации субстратов в ре-
акционной среде и приводит к пропорциональному возрастанию скорости их пре-
вращений, в соответствии с законом действующих масс, которому подчиняются
как химические, так и ферментативные реакции.
В современных биотехнологических схемах переработки крахмалосо-
держащего растительного сырья в продукты брожения (пиво, спирт) сырье не
только измельчают, но и фракционируют по величине частиц. Каждую фракцию
обрабатывают ферментами в соответствии с кинетикой ферментативных реакций,
характерной для конкретной фракции. Это позволяет рационально использовать
ферментные препараты и достигать высокой степени конверсии субстратов на ста-
дии брожения.
Сильное механическое измельчение приводит к изменению структуры сы-
рья на молекулярном уровне. Так при измельчении целлюлозы на вибромельнице
степень полимеризации снижается с 1200 до 900 глюкозных единиц. Очень важно
контролировать температурный режим процесса измельчения, поскольку сильный
нагрев вызывает побочные химические реакции в сырье.
При биоконверсии зернового сырья в продукты брожения используют взо-
рванные структуры, имеющие очень высокую пористость - от 200 % до 600 % к су-
хой массе сырья, что позволяет резко увеличить скорость диффузионных процес-
67
сов внутри частиц и тем самым активизировать ферментативные реакции, лимити-
руемые оттоком их продуктов.
Механические методы предобработки часто сочетают с химическими и
ферментативными.
Химическая предобработка растительного сырья применяется для разделе-
ния комплексов структурных полимеров растений путем преимущественной экс-
тракции какого-либо компонента, а также для расщепления растительных полиме-
ров на низкомолекулярные продукты, которые могут быть использованы микроор-
ганизмами как источники питания.
В качестве химических агентов чаще всего используют кислоты и щелочи.
Мягкая обработка этими агентами (при температуре не выше 100 °С в течение 1-4
ч при атмосферном давлении) применяется для перевода в растворимое состояние
гемицеллюлозы, пектиновых веществ, лигнина. Более жесткий режим обработки
дает возможность расщепить биополимеры на блоки различной длины, вплоть до
мономеров.
Недостатком химической обработки является то, что она дает побочные
продукты реакции, обладающие токсическим действием на организм. При кислот-
ном гидролизе растительного материала образуются такие токсины, как метанол,
формальдегид, ацетон, летучие (фенолы, фурфурол и его производные, муравьиная
кислота. Как кислотный, так и щелочной гидролиз приводят к деградации амино-
кислот, образованию продуктов их конденсации с углеводами и другими соедине-
ниями. Поэтому использование химических агентов для предобработки раститель-
ного сырья требует тщательных исследований механизма и кинетики процессам
целью получения продуктов гидролиза заданного состава и качества.
Жесткий кислотный гидролиз целлюлозосодержащего сырья лежит в основе
технологии так называемых гидролизных дрожжей (то есть дрожжей, выращивае-
мых на гидролизатах древесины). Изучение механизма кислотного гидролиза раз-
личных групп полисахаридов растительного сырья позволило разработать рацио-
нальную технологию раздельного получения пентозных и гексозных смесей моно-
сахаров с минимальными примесями нежелательных продуктов. Пентозы входят в
состав гемицеллюлоз, которые гидролизуются легче целлюлозы и лигнина. Отде-
68
ление продуктов гидролиза гемицеллюлоз, обогащенных пентозными сахарами,
дает в качестве второго продукта целлолигнин (комплекс целлюлозы с лигнином),
из которого далее получают гексозный гидролизат с преимущественным содержа-
нием глюкозы. Такое разделение очень важно, поскольку на гексозном гидролизате
можно выращивать экологически безопасные дрожжи - сахаромицеты, тогда как на
смеси пентоз и гексоз, так же как на чистых пентозах, можно культивировать толь-
ко дрожжи рода Candida, вызывающие аллергические реакции у людей и животных.
При получении гидролизатов древесины успешно используют сочетание
термических, механических и химических воздействий на целлюлозу. В модельных
опытах на обеззоленной древесной целлюлозе показано, что ее термический гидро-
лиз при 400 °С с наложением напряжения сдвига (угол поворота наковальни
Бриджмена от 0° до 800°) дает выход легкогидролизуемой фракции целлюлозы 12
%, то же при давлении 2000 мПа - 22,5 %, а при дополнительной пропитке материала 1-5 % растворами различных кислот - от 43 % до 80 %. В оптимальном варианте степень полимеризации целлюлозы снизилась со 170 до 15 глюкозных единиц.
Термохимическая обработка под давлением применяется при разделении
древесины на фракции, обогащенные целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином.
Метод, получивший название «парового взрыва», разработан применительно к
древесине быстрорастущих пород тополя, которую используют как сырье для по-
лучения спирта путем биоконверсии. Метод существует в различных модификаци-
ях. Суть его состоит в том, что сухую щепу древесины помещают в камеру взрыва
и обрабатывают при давлении до 60 атм и температуре 200-260 °С в течение 20-120
сек острым паром в присутствии 0,2-0,4 % серной кислоты. Затем резко снижают
давление до атмосферного, выбрасывая сырье в приемник. В ходе обработки про-
исходит разрыв связей между гемицеллюлозой и лигнином за счет частичного кис-
лотного гидролиза гемицеллюлозы. В обработанном сырье образуются три фазы:
гидрофобный лигнин всплывает на поверхность в виде шариков, гемицеллюлоза
переходит в подкисленный раствор, целлюлоза с примесью некоторого количества
лигнина представляет нерастворимую твердую фазу, которая может быть легко от-
делена.
69
Паровой взрыв используется при переработке растительного сырья в энер-
гоносители. Этот метод применяется также для повышения питательной ценности
древесины, подсолнечной лузги и других грубых кормов. Так переваримость из-
мельченной березы после парового взрыва возросла с 4,7 % до 60,7 %, ее клетчатки
- с 2,2 % до 65 %. Усвояемость подсолнечной лузги в рубце жвачных повысилась с
45 % до 73 %. В этих примерах паровой взрыв можно рассматривать как метод об-
работки растительного сырья перед биоконверсией, которая имеет место в пищева-
рительном тракте животных.
Большую проблему представляет переработка соломы в корма повышенной
усвояемости для жвачных животных. Механические способы обработки не оказы-
вают существенного влияния на структуру соломы, так как не разрушаются связи
лигнина с другими компонентами клеточных стенок, и материал в целом остается
гидрофобным, трудно смачивается и вследствие этого плохо ферментируется.
Малоэффективен способ замачивания соломы в 1,5 % растворе поваренной
соли в течение 7-24 ч с последующей промывкой водой, который был распростра-
нен в Германии. Значительно лучше проходит делигнификация соломы в щелочи.
При обработке 4 % едким натром клеточные стенки пшеничной соломы увеличиваются в объеме на 37 %, ячменной - на 74 %, что свидетельствует о повышении
гидрофильности вследствие экстракции части лигнина. В Дании и Великобритании
солому размалывают и гранулируют с едким натром, затем нагревают при повы-
шенном давлении, что увеличивает переваримость соломы на 20 %. Действуют
промышленные установки по изготовлению такой соломы. Однако способ не полу-
чил большого распространения, поскольку солома, обработанная щелочью, плохо
поедается животными.
Более дешевым и рациональным считают способ обработки соломы 25-30 %
раствором аммиака, при этом солома хорошо сохраняется и не поражается плесне-
выми грибами - продуцентами токсинов. Обработку проводят в скирдах с укрыти-
ем. После обработки солома пригодна к скармливанию жвачным животным в тече-
ние 2 месяцев, ее питательная ценность на 30-47 % выше, чем необработанной. Из-
вестны модификации этого способа, когда солому подвергают термообработке га-
зообразным аммиаком. Наряду с едким натром и аммиаком для обработки соломы
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]