1 Литературный обзор

1.1 Процессы, протекающие при получении спиртового сусла

Процессы, протекающие при получении спиртового сусла можно условно разделить на две группы: процессы при водно-тепловой обработке крахмалистого сырья и процессы, происходящие при осахаривании.

Цель водно-тепловой обработки – подготовка сырья к осахариванию амилолитическими ферментами солода или микробных ферментных препаратов. Осахаривание наиболее полно и быстро происходит тогда, когда крахмал доступен для их действия, оклейстеризован и растворен, что возможно достичь следующими способами: развариванием – тепловой обработкой цельного сырья при повышенном давлении; сверхтонким механическим измельчением сырья на специальных машинах; механическим измельчением сырья до определенных размеров и последующим развариванием под давлением или без давления.

Необходимость предварительного измельчения сырья обусловлена тем, что подача его в целом виде в варочный агрегат затруднена. Перерабатывая измельченное сырье, можно смягчить режим варки и тем самым снизить потери сбраживаемых веществ и увеличить выход спирта.

Измельчая зерно до прохода 100 % через сито с отверстиями диаметром 1 мм, можно повысить выход спирта на 0,3-0,4 дал из 1 т крахмала, снизить температуру варки со 140 до 135-132 ˚С и сократить продолжительность разваривания на 10-15 минут.

При переработке зерна процессу подваривания предшествует смешивание крупки с водой. Оно должно вестись так, чтобы замес был однородным, без комочков теста, которые плохо развариваются и вызывают увеличение потерь сбраживаемых веществ с нерастворенным крахмалом. Тщательность проведения этой операции определяется конструкцией смесителей и температурой воды, которая не должна быть более 50˚С.

На стадии подваривания необходимо обеспечить частичное набухание и клейстеризацию крахмала с целью смягчения режима последующего разваривания. Полные набухание и клейстеризация недопустимы, так как это приведет к потере транспортабельности подваренного замеса. Нежелательно накопление сахаров при температуре 55-65˚С.

В связи с этим при подваривании необходимы быстрое нагревание массы до заданной температуры, определяемой степенью измельчения и скоростью повышения вязкости, и быстрая передача нагретого замеса на разваривание.

Необходимая подготовка крахмалсодержащего сырья к осахариванию при минимальных потерях нерастворенного крахмала и сбраживаемых углеводов достигается правильно выбранным соотношением температуры и продолжительности разваривания и равномерностью обработки массы. Основными требованиями, предъявляемыми к стадии разваривания является равномерный прогрев массы в контактном устройстве до заданной температуры, соблюдение правильного соотношения продолжительности и температуры варки и сведение до минимума неравномерности прохождения отдельных частиц развариваемой массы через аппарат.

При водно-тепловой обработке зерна происходят значительные структурно-механические изменения сырья и химические превращения веществ, входящих в его состав.К таким изменениям относятся:

- структурно-механические изменения сырья;

- химические превращения углеводов, азотистых и других веществ при разваривании;

- превращение сахаров;

- превращение целлюлозы, гемицеллюлоз, гумми- и пектиновых веществ.

1.1.1 Структурно – механические изменения в сырье при водно-тепловой обработке

Первую стадию тепловой обработки неизмельченного сырья – подваривание – проводят при атмосферном давлении. Алейроновый слой зерна, состоящий преимущественно из белков, характеризуется значительными эластичностью и сопротивляемостью как механическим, так и химическим воздействиям. Такими же свойствами обладает и зародыш. Эндосперм имеет тонкое и хрупкое строение. Для разрушения целого зерна необходимы значительные механические усилия, в связи с чем уменьшение прочности сырья – одна из целей подваривания. Вода, проникающая внутрь зерна, вызывает набухание крахмала и клеточных стенок, растворяет некоторые межклеточные вещества, отчего сцепление отдельных составных частей зерна ослабевает. Благодаря этому оно становится мягким и гибким. В процессе подваривания вторичным паром зерно набухает. При температуре до 55 ˚С крахмал набухает слабее, чем клейковина, при температурах выше 60˚С, наоборот, набухание крахмала резко возрастает, а клейковины уменьшается. При температуре около 90˚ С оболочки зерна разрываются в отдельных местах и крахмал частично клейстеризуется.

Набуханием называется процесс увеличения первоначального объема твердого высокомолекулярного соединения за счет поглощения жидкости.

Исследования Фремеля показали, что набухание зерновых злаков при 100 ºС достигает максимального значения через 2,5-3,0 часа. Набухание зерен происходит неравномерно: вначале процесс идет быстро, а затем сильно замедляется. В первой стадии вода довольно легко заполняет имеющиеся в зерне капилляры, а затем происходят явления, связанные с диффузией воды через оболочку зерна. Добавление электролитов способствует набуханию. Электролиты адсорбируются на поверхности зерна и нарушают его структуру, вследствие чего вода быстрее проникает в зерна. Набухание зерна различных культур идет различными темпами.

Согласно исследованиям Смирнова и Четверякова по скорости набухания зерно различных культур можно расположить в следующий ряд: рожь, пшеница, овес, просо, ячмень, кукуруза.

Крупные зерна набухают медленнее мелких, дефектное зерно набухает быстрее здорового. С повышением температуры на 10˚С скорость набухания возрастает примерно в два раза. Набухание значительно ускоряется при нарушении целости зерна. Чем мельче крупка, тем быстрее происходит набухание, клейстеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости замесов. В зависимости от степени измельчения зерна, свойств и концентрации крахмала в замесе выбирают оптимальную продолжительность выдержки массы при максимальной температуре, определяемой вязкостью подваренного замеса, т.е. возможностью его перекачивания. Установлено, что наиболее эффективно проводить разваривание такого сырья, в котором полностью прошли процессы набухания и клейстеризации. При этом снижается температура и продолжительность разваривания, вследствие чего снижаются потери сбраживаемых веществ. Подваривание сырья до полного набухания и клейстеризации возможны только при одновременном разжижении замеса бактериальными α – амилазами. Такие препараты хорошо разжижая крахмал при температурах до 95 ˚С, гидролизуют его до высокомолекулярных декстринов.

После подваривания сырье подвергается действию более высокого давления – стадия разваривания. При варке под давлением в первый период разваривания заканчиваются поглощение воды, набухание и клейстеризация. Одновременно растворяются крахмал, некоторая часть пентозанов, гексозанов, белков и других веществ сырья. По мере растворения отдельные клетки разрываются и дают выход крахмалу в окружающую зерно среду. При разваривании сырья клетки разрываются сначала в наружных слоях, внутри же зерна они остаются целыми. Если зерно недостаточно разварить при несколько пониженной температуре, то при выдувании клеточная структура не будет достаточно разрушена; крахмал полностью не осахарится, и значителная часть его потеряется с бардой. Однако при смешивании такой разваренной массы с осахаривающими ферментами и пропускании через измельчитель можно получить оптимальные результаты осахаривания и брожения.

1.1.2 Химические превращения углеводов, азотистых и других веществ при водно-тепловой обработке

Стенки клеток растительного сырья состоят из целлюлозы, гемицелюлоз и пектиновых веществ. Клетчатка растительного сырья при разваривании в слабокислой среде не изменяется; гемицелюлоза же частично гидролизуется при подваривании замеса под действием фермента гемицеллюлазы и частично при разваривании под действием кислот с образованием декстринов различной степени полимеризации, в том числе и пентоз – ксилозы и арабинозы.

Пектиновые вещества при разваривании отщепляют метоксильные группы (-ОСН₃), которые затем превращаются в метанол, из зерна возможно образование до 0,00035 % метанола.

Крахмал при разваривании вначале клейстеризуется, а затем превращается в жидкий подвижный растворимый крахмал.

Температура клейстеризации не одинакова для крахмалов различного происхождения, причем правильнее говорить не об определенной температуре клейстеризации, а о некотором температурном интервале этого процесса. Так, температура клейстеризации ржаного крахмала лежит в интервале 50-55 ºС, пшеничного 57-62 ºС, кукурузного 65-75 ºС и ячменного 50-80 ºС.

Электролиты значительно влияют на процесс клейстеризации. Так, нормальный раствор хлористого калия снижает температуру клейстеризации картофельного крахмала с 61,8 ºС до 57,5 ºС.

При нагревании до 110 ºС клейстер начинает разжижаться, а при 120 ºС становится жидким. Наиболее полное растворение крахмала измельченного сырья происходит при следующих температурах: ржаного 130 ºС, пшеничного 150 ºС, кукурузного 154 ºС. Некоторая часть крахмала остается в разваренном сырье в виде крахмального клейстера.

Под действием воды и тепла небольшая часть крахмала при разваривании в результате кислотного и ферментативного гидролиза превращается в декстрины, мальтозу, глюкозу.

В начале разваривания при повышении температуры белки зерновых злаков коагулируют, вследствие чего наблюдается уменьшение растворимых азотистых веществ. При дальнейшем разваривании происходит гидролитическое расщепление белков с образованием пептидов и аминокислот и количество растворимых азотистых веществ увеличивается.

В крахмалсодержащем сырье из сахаров содержится главным образом сахароза, глюкоза и фруктоза. При разваривании образуется некоторое количество мальтозы в результате гидролиза крахмала под действием ферментов перерабатываемого сырья.

В процессе разваривания сырья происходит оксиметилфурфурольное разложение гексоз, образование меланоидинов, реверсия и карамелизация сахаров.

Смирнов и Сотская показали, что основная реакция распада гексоз (глюкозы, фруктозы) в процессе разваривания – это разложение их с образованием оксиметилфурфурола.

Оксиметилфурфурол образуется из гексоз в кислой среде в результате дегидротации – отнятия 3-х молекул воды. Оксиметилфурфурол – соединение нестойкое и при нагревании разлагается на левулиновую и муравьиную кислоту. Пентозы при разваривании разлагаются с образованием фурфурола.

Устойчивость моносахаридов при разваривании зависит от рН. Минимальное количество глюкозы распадается при рН 3,4; фруктозы – при рН 3,6 и арабинозы – при рН 2,8. Следовательно, для сохранения моносахаридов в процессе разваривания наиболее благоприятна слабокислая среда с рН около 3,5. При этом значении рН в условиях жесткого режима разваривания (температура 155 ºС, длительность 90 минут) разлагается от 5 % глюкозы до 26 % фруктозы от первоначального количества сахара. При естественном рН сырья около 6,5 в этих условиях разлагается около 80 % глюкозы и около 90 % фруктозы. В условиях мягкого режима разваривания (температура 140 ºС, длительность 8-9 минут) при рН 3,5 глюкоза не разлагалась, а фруктозы разлагалось 9 %; при рН 6,5 в условиях мягкого режима разлагалось 11 % глюкозы и 36 % фруктозы. По степени устойчивости в слабокислой среде моносахариды располагаются в следующий ряд: фруктоза, арабиноза, глюкоза.

Сахароза при рН 2-5 полностью гидролизуется, при рН 6,5 – примерно на 50 %. Разложение инвертного сахара при рН 3,5 составляет 5 %, при рН 5 возрастает до 18 % и при рН 6,5 уменьшается до 15 % (вследствие замедления инверсии). При рН 6,5 разлагается 27 % мальтозы.

При нагревании сахаров с аминокислотами карбонильная группа сахаров

–С=О взаимодействует с аминогруппой –NН₂ аминокислот, в результате чего образуется вода, углекислый газ, карбоновые кислоты, альдегиды и меланоидины – продукты конденсации сахаров или альдегидов с аминокислотами. В реакцию с сахарами вступают не только аминокислоты, но и пептиды и белки, содержащие свободную аминогруппу. Меланоидины не расщепляются ферментами солода и не сбраживаются дрожжами. Таким образом, сахара, взаимодействуя с продуктами распада белков, теряются для спиртового производства. Кроме того, образовавшиеся меланоидины инактивируют амилолитические ферменты солода, что отрицательно сказывается на дальнейших процессах осахаривания и брожения. Образование меланоидинов это второй существенный источник потерь сахаров в процессе разваривания. Реакция образования меланоидинов возможна в широком диапазоне рН. В кислой среде она начинается при рН выше 2,1 и ускоряется с его возрастанием. В щелочной среде скорость реакции больше, чем в кислой. С повышением температуры на 10 ºС скорость реакции увеличивается в 2-3 раза.

При нагревании крахмала и сахаров в присутствии небольшого количества кислот происходит реверсия. Реверсия – это реакция обратная инверсии (гидролизу). Сахара, когда образовавшаяся глюкоза уплотняется до ди- и три- и более высокомолекулярных сахаров (ревертоз). При нормальных условиях разваривания ревертоз образуется не более 0,5 % от суммарного количества сахаров развариваемой массы.

При нагревании без воды или с ее небольшим количеством, сахара превращаются в карамели. При разваривании крахмалсодержащего сырья условия для карамелизации сахаров не создаются.

При разваривании зерна количество кислых соединений увеличивается, поэтому разваренное сырье имеет всегда более кислую реакцию, чем исходное. Повышение кислотности обусловлено многими реакциями: перевода фосфорной кислоты в раствор в связи с растворением крахмала и других фосфорсодержащих соединений, разрушением сахаров. В результате частичного гидролиза жиров образуются карбоновые кислоты, которые нейтрализуют щелочные фосфаты К₂НРО₄ и переводят их в кислые КН₂РО₄.

1.1.3 Осахаривание затора

Осахаривание заключается в обработке охлажденной разваренной массы солодовым молоком или ферментными препаратами с целью проведения гидролиза полисахаридов, белков и других сложных веществ, содержащихся в сырье. Основным и наиболее важным процессом при этом является ферментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров. В результате осахаривания разваренной массы получают полупродукт – сусло спиртового производства.

Характерной особенностью процесса осахаривания в производстве спирта является то, что ферменты действуют на составные вещества сырья на нескольких стадиях:

1) стадии подваривания сырья;

2) специальной стадии осахаривания крахмала при оптимальной температуре действия амилолитических ферментов;

3) на стадии брожения.

1.1.3.1 Осахаривающие материалы

Амилолитические ферменты содержатся во многих высших растениях, но наиболее богато ими пророщенное в определенных условиях зерно растений семейства злаковых, называемое солодом. Культуры микроскопических грибов или ферментные препараты применяют в спиртовой промышленности в основном в виде сиропообразных препаратов или сухого порошка. Культуры плесневых грибов имеют ряд преимуществ по сравнению с солодом. При солодоращении теряется 16-18 % крахмала, часть крахмала солода в процессе производства спирта остается неосахаренной и, следовательно, не сбраживается. Кроме того, с солодом вносятся в сусло посторонние микроорганизмы, вследствие чего в большей мере протекают и другие виды брожения, отрицательно отражающиеся на выходе спирта. В случае применения смеси солодов из различных злаков с целью полного осахаривания крахмала работа усложняется.

Культуры микроскопических грибов содержат комплекс амилолитических ферментов, отличающихся от ферментов солода и позволяющих глубже и полнее гидролизовать крахмал. В микроскопических грибах активнее целлюлозолитические ферменты, расщепляющие гемицеллюлозы до сахаров, часть которых сбраживается дрожжами, при этом повышается выход спирта.

Действие солода и культур микроскопических грибов не ограничивается осахариванием крахмала, они еще способствуют накоплению в сусле достаточного количества органического азота для питания дрожжей и частичному растворению клеточных стенок эндосперма сырья.

1.1.3.2 Ферменты как катализаторы химических реакций

Ферментативный гидролиз заключается в разрыве глюкозидных связей амилозы и амилопектина и присоединении по месту разрыва молекулы воды. В химическое взаимодействие вступают только активные молекулы, обладающие определенной избыточной энергией по сравнению со средней энергией всех молекул.

Согласно механизму ферментативного гидролиза, вначале образуется промежуточное соединение, представляющее собой очень лабильный фермент – субстратный комплекс, в результате превращения которого возникают продукты реакции и освобождается фермент для последующих повторяющихся циклов. Известны три вероятных способа взаимодействия фермента с субстратом.

По многоцепочечному способу молекула фермента в случайном порядке атакует одну из полисахаридных цепей, отщепляет от нее звено и затем также в случайном порядке атакует следующие цепи, в том числе и атакованные ранее.

По одноцепочечному способу молекула фермента, атаковав в случайном порядке одну из полисахаридных цепей, последовательно отщепляет от нее звенья до тех пор, пока цепь полностью распадется. Лишь после этого фермент атакует следующие цепи. За время существования одного фермент – субстратного комплекса гидролизуются все доступные для фермента связи.

Комбинированный способ заключается в том, что за время существования одного фермент-субстратного комплекса гидролизуется несколько связей. При этом после отщепления одного звена от цепи фермент не отталкивается, а задерживается. Атака происходит с чередованием одно- и многоцепочечного способов.

1.1.3.3 Ферментативный гидролиз крахмала

Цель ферментативного гидролиза крахмала – получение сусла. Независимо от природы катализатора при разрыве каждой α -1,4 - и α-1,6-глюкозидной связи в крахмале по месту разрыва присоединяется молекула воды. В амилозе при разрыве α -1,4-глюкозидной связи гидроксил воды присоединяется к первому углеродному атому левого остатка глюкозы, образуя альдегидную группу в скрытой форме, водород воды присоединяется к кислороду глюкозидной связи при четвертом углеродном атоме правого остатка глюкозы. Гидролиз амилопектина в точке ветвления сопровождается присоединением гидроксила воды также к первому углеродному атому, а водорода воды – к шестому атому.

В пределе – при разрыве всех глюкозидных связей – присоединяется n-1 молекул воды и образуется n молекул глюкозы. Так как n очень велико, то числовое значение n-1 будет практически пренебрежимо мало отличаться от n и реакция гидролиза может быть выражена уравнением

(С₆Н₁₀О₅) n + nН₂О= nС₆Н₁₂О₆