165528 (Амилолитические препараты), страница 2

Процесс получения спирта из зерно-картофельного сырья вклю­чает следующие стадии: очистка и подготовка сырья, водно-тепло­вая обработка его, осахаривание разваренной массы и охлаждение сусла, приготовление засевной культуры дрожжей, сбраживание сус­ла, перегонка бражки и ректификация спирта.

Производство спирта из крахмалистого сырья осуществляется по периодической, полунепрерывной и непрерывной схемам. По пе­риодической схеме с использованием разварников Генце получали этиловый спирт с конца XIX в. В настоящее время эта схема оста­лась только на некоторых спиртовых заводах малой мощности (до 800 дал). Полунепрерывная схема производства, основанная на ис­пользовании периодически действующих аппаратов, впервые была внедрена на заводах СССР в 1917—1950 гг. По этой схеме до сих пор работают около 15—20% спиртовых заводов страны.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ КРАХМАЛИСТОГО СЫРЬЯ

ОСАХАРИВАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Крахмал, растворенный при разваривании зерна и картофеля, гидролизуют (осахаривают) амилолитическими ферментами зер­нового солода или культур микроорганизмов, преимущественно микроскопических (плесневых) грибов и бактерий.

Амилолитические ферменты содержатся во многих высших растениях, но наиболее богато ими пророщенное в определен­ных условиях зерно растений семейства мятликовых (злаков), называемое солодом. Способность солода осахаривать крахмал известна с древнейших времен, и с тех пор солод используется при получении спирта. Также давно известно свойство микро­скопических грибов осахаривать крахмал. С их помощью восточ­ные народы приготовляли различные охмеляющие напитки.

Культуры микроскопических грибов или ферментные пре параты применяют в спиртовой промышленности большинства зарубежных стран, причем в основном в виде концентрирован­ных сиропообразных препаратов или сухого порошка, реже — в виде культуральной жидкости.

Культуры микроскопических грибов имеют ряд преимуществ по сравнению с солодом. Их выращивают на пшеничных отрубях или в составе питательной среды используют обычную кукуруз­ную муку, тогда как для приготовления солода расходуется 14...20 % кондиционного (96 % проростаемости) зерна в расчете на массу крахмала сырья.

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 солодовен 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.

С помощью культур микроскопических грибов можно увели­чить концентрацию ферментов и таким образом сократить про­должительность осахаривания и последующего дображивания сусла в 2...3 раза.

Микроскопические грибы быстро размножаются, для выра­щивания поверхностной культуры достаточно около 1,5 сут, про­ращивание же зерна для получения солода длится 9... 10 сут. Глубинные культуры выращивают в стерильных условиях, что обеспечивает «чистоту» процесса спиртового брожения.

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. В осуществлении этих процессов, а также в выращивании солода и микроскопических грибов участвуют многочисленные ферменты, поэтому необходимо знание их хи­мической природы, строения и механизма действия.

ПОЛУЧЕНИЕ СОЛОДА

Технология солода складывается из следующих основных про­цессов: замачивание и проращивание зерна; сушка солода и удаление ростков. На отечественных спиртовых заводах для оса­харивания используют сырцовый — несушеный солод (непра­вильно называемый «зеленым»). Этот солод не может долго хра­ниться, поэтому на каждом спиртовом заводе его готовят в коли­чествах, необходимых для текущей работы.

ЗАМАЧИВАНИЕ ЗЕРНА

Основная цель замачивания — увлажнить зерно; дополнитель­ная — отмыть от остатков пыли, удалить легкие зерновые и не­зерновые примеси и подавить микроорганизмы. Замачивание ведут с применением воздуха и воды, чередуя насыщение зерна водой и аэрацию.

Во время замачивания протекают физико-химические и биохимические процессы, приводящие к глубоким изменениям в зерне.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ ЗЕРНА

Зерно прорастает нормально при влажности 40...46 %. При меньшей влажности ростки быстро увядают, накапливается мало ферментов, эндосперм плохо и неравномерно растворяется. Переувлажненное зерно долго не начинает прорастать, а затем быстро трогается в рост с большим выделением теплоты. Зама­чивание обычно заканчивается по достижении влажности 38...40 %, но обильно орошают зерно водой во время проращи­вания.

Вода поступает в зерно через плодовую и семенную оболочки, обладающие полупроницаемостью, поэтому в процессе замачива­ния главную роль играют ультрафильтрация и осмодиффузия. Цветочная пленка (мякинная оболочка) в начале замачивания непроницаема, и вода впитывается по тонким капиллярам — трахеидам зародышевой части, не покрытой этой оболочкой. Сорбируясь крахмалом, белками и другими высокополимерами и растворяя минеральные вещества, через полупроницаемые стен­ки клеток зародыша и эндосперма вода проникает внутрь зерна.

Со временем вследствие вымывания инкрустирующих веществ становится проницаемой и мякинная оболочка.

В нормально замоченном зерне ячменная влага распределена неравномерно. Наибольшая влажность (около 47 %) в основа­нии — в зоне расположения зародыша; в самом зародыше влаж­ность еще выше (68...75 %). В середине зерна влажность 38 %, в кончике 39 %.

Скорость замачивания зависит от структуры, размера зерна и температуры. Пленчатое, высокобелковое и крупное зерно обыч­но увлажняются медленнее, чем голое, низкобелковое и мелкое, хотя нередки исключения из этого правила. Зерно, выращенное в сухом жарком климате, впитывает влагу хуже зерна, получен­ного во влажном умеренном теплом климате. С повышением температуры скорость замачивания возрастает

Зерно большинства культур замачивают при 18...20 °С (смеси зерна и воды). При более высокой температуре необходимы час­тая смена воды, энергичное аэрирование, тщательное подавление микрофлоры, что усложняет управление процессом. Исключение составляет просо, которое насыщается влагой труднее, поэтому температуру замачивания его поддерживают в пределах 25...30 °С.

В воде с высокой жесткостью (14... 15 мгэкв/л) и большой щелочностью замачивание замедляется. Такое же действие ока­зывают хлориды; сульфаты, наоборот, ускоряют замачивание.

Во время замачивания зерно набухает, увеличиваясь в объеме, например, на 40...45 % (ячмень). Из твердого и хрупкого оно становится мягким и эластичным.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ ЗЕРНА

В результате увеличения влажности зерна при замачивании резко усиливается жизнедеятельность и в первую очередь дыха­ние зерна, сопровождающееся потребностью в кислороде. Вместе с тем запас кислорода в воде очень быстро уменьшается, напри-

мер при замачивании ячменя на 60...80 мин он исчезает, поэтому обеспечение зерна кислородом затруднено. Проникновению кис­лорода в зерно через зародыш (в начале замачивания) препятст­вует щиток, а через оболочки впоследствии — большое количест­во воды в тканях. Диффузия кислорода в воде примерно в 10 000 раз медленнее, чем в газе; кроме того, растворимость его в воде в 40 раз меньше, чем диоксида углерода. Недостаток кислорода в процессе замачивания подтверждается и значением дыхательного коэффициента, который выше единицы (около 1,07), а через 8 ч от начала замачивания равен 1,38, т. е. наблюдается уже анаэ­робное дыхание.

При кислородном голодании образуется этиловый спирт, вредно влияющий на жизнеспособность зародыша. В таких условиях частично нарушается структура тканей и зерно легко переувлажняется. Во время последующего проращивания тре­буются длительная перестройка типа дыхания, сжигание спир­та и других метаболитов, на образование которых были затра­чены углеводы. Отсюда следует, что с самого начала замачива­ния должны быть созданы условия для нормального дыхания зерна.

При замачивании зерна одновременно с усилением дыха­ния происходит глубокая перестройка всего ферментного комплекса.

ПРОРАЩИВАНИЕ ЗЕРНА

Цель солодоращения — накопление ферментов, растворение межклеточных пластинок и стенок клеток эндосперма, что необ­ходимо для снабжения развивающегося зародыша питательными веществами и перехода ферментов в сусло.

Зерно проращивают в таких условиях, чтобы расход крахмала

на дыхание и образование новых вегетативных органов был ми­нимальным, при возможно меньшем обсеменении микроорга­низмами, особенно кислотообразующими.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ЦИТОЛИТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНА

При проращивании в зерне происходят процессы распада и синтеза. В эндосперме гидролизуются резервные вещества — крахмал, белки, а также пектиновые вещества, гемицеллюлозы, целлюлоза; образующиеся растворимые продукты поступают через щиток в зародыш. В результате процессов синтеза из заро­дыша вырастают стебелек и корешки.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНА

Ферменты синтезируются в вегетативных частях растения — листьях и стеблях — и уже из них мигрируют в созревающее зерно. По исследованиям А. Н. Баха и А. И. Опарина, актив­ность ферментов в зерне вначале увеличивается, в период молоч­ной спелости достигает максимума, в период восковой спелости снижается и, наконец, во вполне созревшем зерне еле проявля­ется. При проращивании зерна активность ферментов вновь уве­личивается, достигая даже значительно большей величины, чем в период молочной спелости.

Понижение активности амилаз при созревании зерна объяс­няется связыванием их с белками. В таком, зимогенном, состоя­нии амилазы нерастворимы и потому неактивны. Активность их восстанавливается после воздействия протеаз, освобождающих амилазы из зимогена.

В созревающем зерне ячменя, ржи, пшеницы и овса при­сутствуют - и -амилазы, но в зрелом зерне обнаруживаются лишь следы -амилазы. Заметное содержание свободной -амилазы найдено в зерне ржи и овса. В пророщенном зерне всех этих культур содержание р-амилазы не превышает таковое при действии папаина на исходное зерно, т. е. р-амилаза накапли­вается в солоде в результате освобождения из зимогена. По­лагают, что ос-амилаза накапливается таким же путем и час­тично синтезируется.

Динамика изменения ферментативной активности ячменя при его проращивании (по Г. И. Фертману и А. Н. Лазаревой) показана на рис. 3. Видно, что величины АС и ДС достигают максимального значения на 10-е сутки, по другим данным, у ржи — на 7...8-е сутки. Декстринолитическая способность возрастает v овса на 10... 12-е, у

проса — на 5...6-е сутки. Исходя из этого, устанавливают и продолжи­тельность солодоращения.

Рис. 3. График изменения фер­ментативной активности в про­растающем ячмене

В солоде амилолитические фер­менты распределены неравномерно: в ячменном приблизительно 70 % ами­лаз локализовано в нижней части эн­досперма, прилегающей к щитку, в верхней части их около 25, в щитке 4, в стебельке и корешках 1 %.

Цитолитические ферменты в процессе проращивания зерна также активируются, и активность их возрастает до определенного времени, у ячменя — до 5...7 сут. Наибольшей активности цитазы со­ответствует переход твердого состояния мучнистого тела в рыхлое, когда эндосперм легко может быть растерт между пальцами.

Главная роль в растворении клеточных стенок принадлежит гемицеллюлазам и пектиназам. Основной составной частью ге-мицеллюлоз ячменя является -глюкан, гидролиз которого ката­лизируется эндо--глюканазой. Меньшая роль принадлежит ара-бинозидазе и ксиланазе.

В зерне злаков из протеиназ содержится фермент типа папаина, из пептидаз — аминопептидазы, карбоксипептидазы и дипептидазы.

В результате действия протеиназ из зимогена освобождаются амилазы, под действием пептидаз накапливаются аминокислоты, главным образом аспарагиновая и глутаминовая. Активность протеаз возрастает в процессе солодоращения соответственно увеличению активности амилаз

Протеиназы ячменя, как и папаин, в зависимости от природы гидролизуемого белка могут проявлять свою активность при рН 3,8; 6,3 и 8,6, в соответствии с чем их подразделяют на кислые, нейтральные и щелочные. При солодоращении наибольшую ка­талитическую активность проявляют кислые протеиназы, актива­торами которых служат сульфгидрильные соединения, содержа­щие группу —Н, цистин и восстановленный глютатион. В пер­вые сутки проращивания зерна количество глютатиона значительно увеличивается, причем в зародыше более энергично, чем в эндосперме. В последующие сутки накопление глютатиона в зародыше происходит медленнее, но все время в зародыше его больше, чем в эндосперме.

Активность кислой протеиназы в продолжение солодораще­ния возрастает приблизительно в 40 раз. Пептидазная активность проявляется также сильно, но позже протеиназной.

К концу проращивания в зерне накапливаются довольно ак­тивные липаза и фосфатаза (фитаза, нуклеотидаза). Активность фосфатазы тем выше, чем ниже температура солодоращения.

По данным А. Н. Баха и А. И. Опарина, в зерне активность фер­ментов дыхания — оксидазы, пероксидазы и каталазы — выше ак­тивности гидролитических ферментов. В результате проращивания повышается активность обеих групп ферментов, но соотношение их активности резко изменяется в обратную сторону и тем сильнее, чем ниже температура. Поэтому в процессе солодоращения накапливает­ся значительное количество гидролитических ферментов при срав­нительно небольших тратах крахмала на дыхание.