СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЗЕРНОВОГО КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ДЛЯ СПИРТОВОГО БРОЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК C12P7/06 

Изобретение относится к спиртовой промышленности, а более конкретно, к способам подготовки зернового крахмалсодержащего сырья для спиртового брожения.

Известен способ подготовки зернового крахмалсодержащего сырья для спиртового брожения [1], предусматривающий очистку зерна, его измельчение, смешивание измельченного зерна с водой (приготовление замеса), термическую обработку (разваривание), охлаждение, добавление комплексных ферментов, кислоты и осахаривание. Выход спирта обусловлен степенью гидролиза углеводов зернового сырья при осахаривании, в первую очередь крахмала, и практически не затрагивает другие группы полисахаридов: клетчатку, целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин, протолигнин и пр.

Существующий способ характеризуется медленным осахариванием крахмала сырья, не позволяет получать дополнительного количества спирта за счет гидролиза других углеводов сырья, требует значительного расхода ферментов для осахаривания, сопровождается высокими теплозатратами.

Цель изобретения - повышение выхода спирта, сокращение длительности осахаривания, снижение расхода ферментов для осахаривания, уменьшение теплозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу после очистки зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки, причем мучнистое ядро смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 19-21%, подвергают термической обработке экструзией, смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты и кислоту в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента и проводят осахаривание, а оболочки смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 21-23%, добавляют не менее 2% щелочи, подвергают термической обработке экструзией с одновременным добавлением кислоты в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента, смешивают с водой, добавляют целлюлолитические ферменты и проводят осахаривание, после чего оба потока объединяют и направляют на брожение.

Способ осуществляется следующим образом.

Зерно очищают от примесей любым из известных методов (воздушно-ситовые сепараторы, концентраторы, вибросепараторы, триеры и т.д.), очищенное зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки с использованием машин для обработки поверхности зерна (обоечные машины со стальным или наждачным цилиндрами, шелушильные машины с резиновыми или наждачными валком и декой и т.д.), после чего оболочки отделяют от мучнистого ядра воздушным потоком (пневмосепараторы, аспирационнные колонки, дуаспираторы и т.д.). К мучнистому ядру добавляют воду до массовой доли влаги 19-21% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты α- амилаза, β- амилаза, глюкоамилаза) и кислоту (HNO₃, HCl, H₂SO₄) в количестве, обеспечивающем создание pH, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 21-23%, добавляют щелочь (NaOH, Ca(OH)₂, КОН,) в количестве не менее 2 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты (H₂SO₄, NHO₃, HCl,) в количестве, обеспечивающем создание pH, оптимального для используемого вида фермента, после чего добавляют целлюлолитические ферменты (целлобранин ГЗх, целловиридин ГЗх, целлофторин ГЗх), экструдат смешивают с водой и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Пример 1. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в триере, очищенное зерно обрабатывают в шелушильной машине с резиновым валком и резиновой декой, мучнистое ядро отделяют от оболочек в дуаспираторе, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 18% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют α- амилазу и кислоту HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,7, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 20%, добавляют щелочь КОН в количестве 1,8 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты H₂SO₄ в количестве, обеспечивающем создание pH 4,5, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлобранин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 23 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 63,5 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 2. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в концентраторе, очищенное зерно обрабатывают в шелушильной машине с абразивным валком и резиновой декой, мучнистое ядро отделяют от оболочек в аспирационной колонке, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 19% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют β- амилазу и кислоту HCl в количестве, обеспечивающем создание pH 4,8, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 21%, добавляют щелочь Ca(ОН)₂ в количестве 2,0 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,2, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлофторин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 13 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 70,6 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 3. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в воздушно-ситовом сепараторе, очищенное зерно обрабатывают в обоечной машине с абразивным цилиндром, мучнистое ядро отделяют от оболочек в пневмосепараторе, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 20 % и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют глюкоамилазу и кислоту H₂SO₄ в количестве, обеспечивающем создание pH 4,2, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 22%, добавляют щелочь NaOH в количестве 3,0 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,3, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целловиридин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение. Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 9 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 70,8 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 4. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в концентраторе, очищенное зерно обрабатывают в обоечной машине со стальным цилиндром, мучнистое ядро отделяют от оболочек в аспирационной колонке, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 21% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют β- амилазу и кислоту HCl в количестве, обеспечивающем создание pH 4,8, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 23%, добавляют щелочь Ca(OH)₂ в количестве 4,0 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,2, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлофторин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение.

Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 12 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 70,0 дал. на 1 т усл. крахмала.

Пример 5. Зерно влажностью 12% очищают от примесей в вибросепараторе, очищенное зерно обрабатывают в шелушильной машине с резиновым валком и резиновой декой, мучнистое ядро отделяют от оболочек в дуаспираторе, к мучнистому ядру добавляют воды до массовой доли влаги 22% и экструдируют, экструдат смешивают с водой, добавляют α- амилазу и кислоту HNO₃ в количестве, обеспечивающем создание pH 5,7, оптимальное для данного вида фермента, и проводят осахаривание. Оболочки смешивают с водой до массовой доли влаги 24%, добавляют щелочь КОН в количестве 4,2 мас.% и экструдируют с одновременным добавлением при этом кислоты H₂SO₄ в количестве, обеспечивающем создание pH 4,5, оптимальное для данного вида фермента, экструдат смешивают с водой, после чего добавляют целлобранин ГЗх и проводят осахаривание. После раздельного осахаривания оба потока объединяют и направляют на брожение. Продолжительность биоконверсии углеводсодержащих компонентов зерна при осахаривании, обеспечивающая их расщепление, составляет 21 минут. Выход спирта при брожении осахаренного сырья составляет 63,9 дал. на 1 т усл. крахмала.

Следует отметить, что при совместном присутствии различных групп полисахаридов в одном объекте активность комплексных ферментов, расщепляющих каждую из них существенно ниже, чем в случае целенаправленного воздействия специфических ферментов только на определенные группы углеводсодержащих компонентов зернового сырья. Учитывая, что оптимальное значение pH, соответствующее максимальной активности амилолитических (гидролизующих крахмал) и целлюлолитических (гидролизующих некрахмалистые полисахариды), существенно отличается, раздельная обработка зернового сырья двумя потоками, в одном из которых сконцентрированы, в основном, крахмалсодержащие компоненты, а в другом - целлюлозосодержащие, позволяет не только сократить длительность осахаривания, но и уменьшить расход ферментов.

Добавление щелочи при обработке целлюлозосодержащего потока сырья приводит к растворению кремниевой кислоты, пропитывающей клеточную стенку гемицеллюлоз и лигнина, составляющих оболочки зерна, в результате чего увеличивается объем субмикроскопических капилляров и способность к набуханию.

По мере набухания и проникновения щелочи в массу клеточных стенок разрываются водородные связи, кристаллическая часть целлюлозы преобразуется в аморфную, расщепляются химические связи между лигнином и гемицеллюлозами. В результате отщепления ацетильных групп изменяется гидрофильность и растворимость гемицеллюлоз, происходит гидролиз гликозидных связей, сопровождающийся отщеплением концевых редуцирующих групп с образованием моносахаров.

Добавление кислоты позволяет перевести нацело оставшуюся целлюлозу в глюкозу.

Дополнительное количество сахаров за счет расщепления целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина способствует снижению расхода ферментов на осахаривание, повышению выхода спирта, позволяет отказаться от термической обработки, что снижает теплозатраты. Набухание клеточных структур при действии щелочи и кислоты обеспечивает более быстрое проникновение ферментов внутрь крахмалсодержащего сырья, что также сокращает длительность осахаривания. Повышение температуры и давления ускоряет воздействие щелочи и кислоты на растительную ткань, поэтому целесообразно обработку зернового крахмалсодержащего сырья производить непосредственно при экструдировании.

Предлагаемый способ позволяет более полно использовать некрахмалистые полисахариды зерна, которые, являясь потенциальными источниками сбраживаемых углеводов, в известных способах не участвуют в процессе биосинтеза спирта.

На этапе разваривания сырья в существующих способах подготовки зернового крахмалсодержащего сырья к спиртовому брожению используют термический нагрев замеса вторичным, а затем острым паром, его разваривание, выдерживание и вакуум-охлаждение, что сопровождается расходом тепла 130-150 кВт/ч. Раздельное экструдирование компонентов зернового крахмалсодержащего сырья требует затрат энергии 55 кВт/ч. Устранение термической обработки смеси сырья с водой позволяет сократить затраты тепла на 75-100 кВт/ч.

Источники информации
1. Мальцев П. М. Технология бродильных производств. - М.: Пищевая промышленность, 1980, с. 246-248.

Изобретение относится к спиртовой промышленности. Способ подготовки предусматривает очистку зерна от примесей, смешивание с водой, термическую обработку, добавление ферментов, кислоты и осахаривание. После очистки зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки. Последующую обработку сырья осуществляют двумя потоками: мучнистое ядро смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 19-21%. Подвергают затем термической обработке экструзией. Смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты и кислоту в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения рН для используемого вида фермента, затем проводят осахаривание, оболочки смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 21-23%, добавляют не менее 2 мас.% щелочи. Затем подвергают термической обработке с добавлением кислоты в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения рН для используемого вида фермента. Затем добавляют целлюлолитические ферменты и проводят осахаривание, после чего оба потока объединяют и направляют на брожение. Изобретение позволит более полно использовать некрахмалистые полисахариды зерна, сокращает расход ферментов, снижает затраты тепла, повышает выход спирта.

Способ подготовки зернового крахмалсодержащего сырья для спиртового брожения, предусматривающий очистку зерна от примесей, смешивание с водой, термическую обработку, добавление ферментов, кислоты и осахаривание, отличающийся тем, что после очистки зерно разделяют на мучнистое ядро и оболочки, причем мучнистое ядро смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 19 - 21%, подвергают термической обработке экструзией, смешивают с водой, добавляют амилолитические ферменты и кислоту в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента, и проводят осахаривание, а оболочки смешивают с водой до содержания массовой доли влаги 21 - 23%, добавляют не менее 2 мас.% щелочи, подвергают термической обработке экструзией с одновременным добавлением кислоты в количестве, обеспечивающем создание оптимального значения pH для используемого вида фермента, добавляют целлюлолитические ферменты и проводят осахаривание, после чего оба потока объединяют и направляют на брожение.