Помозова В.А. Технология отрасли. Технология спиртового и ликеро-водочного производств

Подождите немного. Документ загружается.

Химический состав зерновых культур

Химический состав зерна заметно различается в зависимо-

сти от вида культуры, условий выращивания, хранения и т.д.

В среднем зерно содержит 14% влаги и 86% сухих веществ.

Влажность зерна зависит от гигроскопических свойств зер-

на, степени зрелости, условий хранения. Различают четыре со-

стояния товарного зерна в зависимости от содержания влаги: су-

хое – до 14%; средней сухости – 14–15,5%; влажное – 15,5–17%;

сырое – более 17%. Дефектное и подмороженное зерно может

иметь влажность до 30% и более.

В сухом зерне вся влага находится в связанном состоянии.

При появлении свободной влаги зерно может пробуждаться к

жизни и не пригодно для длительного хранения. Общая влаж-

ность, при которой появляется свободная вода, называется кри-

тической. Она соответствует верхней границе содержания влаги в

зерне средней сухости.

Углеводы содержатся в зерне в наибольшем количестве и

представлены крахмалом, сахарами, некрахмальными полисаха-

ридами (целлюлоза, гемицеллюлозы, гумми- и пектиновые веще-

ства).

Крахмал – наиболее ценная составная часть сухих веществ

зерна. Его содержание колеблется в зависимости от вида культу-

ры. В среднем его количество составляет 55–60%. В дефектном

зерне содержание крахмала снижается.

Сахара в здоровом покоящемся зерне присутствуют в коли-

честве 0,6–7%. Это, в основном, сахароза; в ячмене и ржи при-

сутствует раффиноза. В недозрелом, морозобойном и проросшем

зерне содержание сахаров увеличивается, появляются мальтоза,

инвертированный сахар.

Целлюлоза – основной компонент оболочек зерна. В пленча-

том зерне ее содержание выше – до 8–10%; в голозерном –

1,5–2,5%.

Гемицеллюлозы – большая группа веществ, объединяющая

полисахариды различного химического состава с близкими физи-

ческими свойствами.

Они не растворимы в воде, но растворяются в щелочах. Со-

держатся в оболочках зерна, в клеточных стенках эндосперма.

Относительно легко гидролизуются кислотами. В зависимости от

продуктов гидролиза их делят на гексозаны, если образуются

гексозы (β-глюкоза, манноза, галактоза), и пентозаны, если при

гидролизе образуются пентозы (ксилоза, арабиноза). В зерне мо-

гут находиться гемицеллюлозы и смешанного состава, дающие

при гидролизе гексозы, пентозы, уроновые кислоты.

Основные представители гемицеллюлозы, содержащиеся в

зерне в относительно высоких концентрациях – β-глюкан, ара-

боксилан, гумми-вещества, левулезаны (фруктозаны).

Гумми-вещества (слизи) представляют собой полисахариды,

в большинстве случаев растворимые в воде, при этом образуются

растворы с очень высокой вязкостью. В их состав входят различ-

ные моносахариды в зависимости от вида зерна: арабиноза, кси-

лоза, фруктоза, галактоза.

Левулезаны также растворимы в воде, при гидролизе дают

фруктозу (левулезу).

Общее содержание гемицеллюлоз в зерне 7–15%. Большое

количество гумми-веществ и левулезанов присутствует в зерне

ржи: до 2,8% гумми-веществ и до 1,5% левулезанов. Это придает

разваренной массе из ржи высокую вязкость, что отрицательно

сказывается на последующих технологических процессах.

Содержание пектиновых веществ в зерне невелико, до 2%.

Азотистые вещества в здоровом, зрелом зерне представле-

ны, в основном, белками. Их общее содержание колеблется от 7

до 25%. Аминокислоты, амиды, пептиды присутствуют в не-

большом количестве. Их относительное содержание увеличива-

ется в зерне недозрелом, подвергшемся самосогреванию, про-

росшем. Повышенное содержание аминокислот обнаруживается

в зерне ржи, что объясняет ее благотворное действие на дрожжи.

Белки в зависимости от растворимости в различных раство-

рителях делят на альбумины – растворимые в воде, глобулины –

растворимые в слабых растворах солей, проламины – раствори-

мые в 60–80%-ных растворах спиртов, глютелины – растворимые

в слабых растворах щелочей.

Первые две группы называют растворимыми белками. Они

относительно легко подвергаются гидролизу с образованием

аминокислот, которые необходимы для размножения дрожжей.

Рожь, ячмень, овес содержат относительно высокое количество

растворимых белков. В процессе переработки других культур

иногда требуется обогащение дрожжевого сусла азотистым пита-

нием.

Белки, при гидролизе которых образуются только амино-

кислоты, называют протеинами или простыми белками. Белки,

соединенные с другими веществами небелковой природы, назы-

вают протеидами. В зерне присутствуют гликопротеиды, липо-

протеиды, нуклеопротеиды и др.

Липиды присутствуют в зерне в количестве 2–6%. К ним

относят простые, сложные и циклические липиды. К простым

липидам относятся жиры и воски; к сложным – соединения жи-

ров с другими веществами: фосфорной кислотой, азотистыми ос-

нованиями. К циклическим липидам относят стеролы.

Жир локализован в зародыше зерна. Наибольшее его коли-

чество содержится в кукурузе – до 7%; в овсе – до 6%, в просе –

до 5%.

Минеральные вещества определяются как зола. Содержа-

ние их в зерне – 1,5–3% от массы. Зола представлена, в основном,

солями калия и фосфорной кислоты.

Средний химический состав зерна представлен в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Средний химический состав зерна, %

Культура Белки Жиры

Моно- и ди-

сахариды

Крахмал Клетчатка Зола

Пшеница 12,0 2,2 1,0 53,5 2,4 1,7

Рожь 10,0 2,2 1,5 54,0 2,6 1,7

Овес 10,0 6,2 1,1 36,5 10,7 3,2

Ячмень 10,3 2,4 1,3 48,1 4,3 2,4

Просо 11,2 3,9 1,9 54,7 7,9 2,9

Рис 7,4 2,6 0,9 55,2 9,0 3,9

Кукуруза 10,3 4,9 1,6 56,9 2,1 1,2

Гречиха 10,8 3,2 1,5 52,9 10,8 2,0

2.3 Меласса. Характеристика, химический состав.

Технологическая оценка мелассы

Меласса является основным сырьем в производстве хлебо-

пекарных дрожжей, а также используется в спиртовом производ-

стве заводами, расположенными в зоне выращивания и перера-

ботки сахарной свеклы.

Мелассой называют последний маточный раствор, получае-

мый при отделении кристаллов сахарозы в производстве сахара.

В зависимости от вида используемого сырья различают ме-

лассу свекловичную, тростниковую и сырцовую. Отечественные

сахарные заводы перерабатывают только сахарную свеклу, ино-

гда импортный сахар-сырец. Получаемую в последнем случае

мелассу называют сырцовой. С мелассой отходит до 10–15% всех

сахаров, содержащихся в сахарной свекле.

Меласса представляет собой густую, вязкую жидкость тем-

ного цвета, обусловленного присутствием меланоидинов, кара-

мелей и других продуктов распада углеводов.

Меласса имеет непостоянный химический состав. В ней со-

держится в среднем 80% сухих веществ и 20% воды.

Сухие вещества мелассы слагаются, в основном, из сахаро-

зы, азотистых, безазотистых органических веществ и золы.

В свеклосахарном производстве все сахара относят к группе

безазотистых экстрактивных веществ. В спиртовом производстве

сахароза и сахара полностью или частично потребляемые дрож-

жами учитываются как «сбраживаемые сахара».

Сахароза и сбраживаемые сахара. Сахароза составляет

основную массу всех сахаров мелассы. Ее содержание колеблется

в диапазоне 40–62% к массе. Меласса представляет собой пере-

сыщенный раствор сахарозы, в результате чего в процессе хране-

ния может происходить ее кристаллизация.

Инвертированный сахар – это смесь глюкозы и фруктозы,

которые образуются при гидролизе сахарозы. Содержание инвер-

тированного сахара находится в пределах 0,4–1,5% к массе ме-

лассы.

Нормальная меласса имеет слабощелочную среду,

рН 7,2–8,9. При нарастании кислотности в результате развития

кислотобразующих микроорганизмов количество инвертирован-

ного сахара увеличивается; это может служить косвенным при-

знаком закисания мелассы.

Из трисахаридов в мелассе присутствуют раффиноза

(0,5–2,0%), кестоза, неокестоза (0,5–1,6%). Раффиноза состоит из

остатков молекул глюкозы, фруктозы и галактозы.

Из свеклы в мелассу переходят в небольшом количестве

пектиновые вещества, пентозаны (арабан, ксилан).

Дрожжами на спирт полностью сбраживаются сахароза, ин-

вертированный сахар и манноза. Раффиноза под действием фер-

мента дрожжей β-фруктофуранозидазы гидролизуется до фрукто-

зы и дисахарида мелибиозы. Так как в некоторых расах спирто-

вых дрожжей отсутствует фермент мелибиаза (α-галактозидаза),

ими потребляется только образовавшаяся в процессе гидролиза

фруктоза. В результате этого раффиноза сбраживается на 34%.

Новые гибридные расы спиртовых дрожжей способны сбражи-

вать раффинозу полностью, так как содержат все необходимые

ферменты.

Другие сахара, в том числе пентозы дрожжами не сбражи-

ваются.

Безазотистые экстрактивные вещества. К ним относят все

сахара мелассы, за исключением сахарозы; продукты термического

и химического разложения сахаров; органические кислоты.

К продуктам щелочного разложения сахарозы относят неле-

тучие окрашенные кислоты – глюциновую, сахарумовую, высоко-

молекулярные гуминовые кислоты, а также летучие кислоты – му-

равьиную, уксусную.

При термическом разложении сахаров образуются карамели –

ангидриды сахаров, меланоидины – продукты химического взаи-

модействия сахаров и аминокислот. Это соединения сложного

химического состава, представляющие собой смесь большого

числа летучих и нелетучих соединений.

Продукты разложения сахаров придают темно-коричневую

окраску мелассе. Часть из них образуют коллоидные растворы.

В мелассе 4–6% веществ находятся в виде коллоидов. Раз-

личают обратимые и необратимые коллоиды. Обратимые после

осаждения спиртом способны вновь растворяться в воде. Они со-

ставляют основную массу коллоидов, имеют менее интенсивную

окраску, чем необратимые. Последние содержат небольшое ко-

личество азота, к ним же относят высокомолекулярные окрашен-

ные кислоты. Необратимые коллоиды обусловливают до 85%

цветности мелассы.

Коллоиды, содержащие окрашенные продукты щелочного

разложения сахаров, имеют в растворе отрицательный заряд и

коагулируют при рН 3,2. Продукты меланоидинообразования

имеют положительный заряд и коагулируют при рН 8 и выше.

Эти свойства коллоидов мелассы учитывают при осветлении ме-

лассы.

Большая часть органических кислот сахарной свеклы в ме-

лассу не переходят. В ней обнаружены глутаровая, янтарная, мо-

лочная, яблочная, муравьиная, уксусная, пропионовая, н-мас-

ляная, н-валериановая кислоты. Практически все они находятся в

виде солей калия и кальция.

Азотистые вещества содержатся в мелассе в количестве

5–20% от массы. Соотношение форм азота сильно колеблется. В

среднем аминного азота содержится 8–10%, белкового – 3–5%,

бетаинного (бетаин – основной белок сахарной свеклы) – 63–74%

от общего содержания белков. Содержание в мелассе азота, ус-

ваиваемого дрожжами, составляет 12–20% от всего азота. Для

нормальной жизнедеятельности дрожжей необходимо не менее

0,25% усваиваемого азота.

Витамины. В мелассе присутствуют ряд витаминов, кото-

рые являются ростовыми веществами для дрожжей: биотин, тиа-

мин, рибофлавин, пантотеновая, фолиевая, никотиновая кислоты,

инозит.

Минеральные вещества свеклы практически полностью

переходят в мелассу. Поэтому их содержание в мелассе (в пере-

счете на карбонатную золу) составляет 12–14%. В основном при-

сутствует калий, магний, кальций, фосфор. Из микроэлементов в

мелассе встречаются алюминий, железо, кремний и др.

Благодаря присутствию солей слабых кислот меласса обла-

дает буферностью.

Тростниковая меласса отличается по составу от свеклович-

ной. В ней больше сахарозы, большое количество (до 30%) ин-

вертированного сахара, мало азота, нет раффинозы.

Вредные примеси. В мелассе присутствуют вещества, тор-

мозящие развитие дрожжей. К ним относят красящие вещества,

диоксид серы, нитриты, летучие кислоты.

Красящие вещества: карамели, меланоидины, продукты ще-

лочного разложения сахарозы адсорбируются дрожжевыми клет-

ками и затрудняют их обмен с окружающей средой, кроме того, в

дрожжевом производстве ухудшают товарный вид дрожжей,

придавая им темную окраску.

Нитриты в мелассе обычно не обнаруживаются, чаще появ-

ляются в мелассном сусле или в культуральных средах дрожже-

вого производства в результате развития нитритобразующих бак-

терий. Нитриты задерживают нормальное почкование дрожжей

уже в концентрации 0,0005%, почти полностью подавляют раз-

множение дрожжей в концентрации 0,02%.

Сернистый ангидрид переходит в мелассу при сульфитации

полупродуктов сахарного производства. Угнетает дрожжи в кон-

центрации 0,0025%. Нормальной считается меласса, содержащая

диоксид серы в количестве не более 0,05%, так как после разбав-

ления в ней устанавливается допустимое его содержание.

Летучие кислоты: уксусная, пропионовая, муравьиная, мас-

ляная и др. – могут присутствовать в мелассе в свободном состоя-

нии или в виде солей. Свободные кислоты угнетающе действуют

на дрожжи, находясь даже в ничтожных концентрациях. Общее со-

держание летучих кислот колеблется в пределах 0,5–1,8%. Однако

большая их часть находится в виде солей, токсичность которых

ниже. Угнетающее их действие на дрожжи проявляется в концен-

трации 0,1–0,2%. Нормальной считают мелассу, содержащую не

более 1,2% летучих кислот.

В числе вредных посторонних примесей в мелассе могут

присутствовать нефтепродукты, пеногасители, пестициды и др.

вещества.

Инфицированность мелассы. Меласса чисто инфицирова-

на различной микрофлорой. В ней обнаруживаются спороносные

бактерии: Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, которые являют-

ся нитритобразующими, т.е. превращают нитраты в нитриты. Из

неспороносных встречаются чаще всего бактерии видов

Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc agglutinaus. Они потреб-

ляют сахара и могут вызвать ослизнение сусла.

Технологическая оценка мелассы. Состав мелассы колеб-

лется в больших пределах, поэтому качество ее не регламентиро-

вано. Однако, существует ряд технологических требований к ме-

лассе: содержание сухих веществ не менее 75%; общего азота не

менее 1,3%; инвертированного сахара не более 0,5%; диоксида

серы не более 0,05%; пеногасителей не более 0,5%; рН не ниже

6,8; цветность не более 2 см

, раствора йода концентрацией

0,1 моль/дм

на 100 см

2%-ного раствора мелассы. Инфициро-

ванность мелассы должна быть не более 100 тыс. клеток в 1 г ме-

лассы. Косвенно ее оценивают по нарастанию кислотности. При

выдерживании пробы при температуре 30

С 20–24 часа кислот-

ность не должна возрастать более чем на 0,3

Меласса, не удовлетворяющая этим требованиям, считается

дефектной. При повышенном содержании сухих веществ в ме-

лассе в процессе хранения может произойти кристаллизация са-

харозы, при пониженном – имеется опасность инфицирования

мелассы. При недостатке азота и повышенной концентрации

вредных веществ нарушается нормальная жизнедеятельность

дрожжей.

Дефектные мелассы не отвечают требованиям по ряду пока-

зателей: массовая доля сухих веществ < 75%; рН < 6,8; общий

азот < 1,3%; инвертный сахар > 0,5%; инфицированность по на-

растанию кислотности в пробе на самоброжение через 24 часа

> 0,3

К дефектным мелассам для производства дрожжей относят

мелассы, кроме того, содержащие, %: летучих органических ки-

слот – 1; сернистый ангидрид – 0,15; карамели – 2,3–2,4.

2.4 Сравнительная характеристика сырья

спиртового производства

Крахмалсодержащее сырье перерабатывается по одной тех-

нологической схеме. Общее для зерна и картофеля основное тре-

бование – максимальное содержание крахмала. Однако считается,

что картофель в большей степени отвечает требованиям спирто-

вого производства, чем зерно. Исходя из средней урожайности

картофеля, с единицы посевной площади получают крахмала в

3–4 раза больше при выращивании картофеля по сравнению с

зерном.

Картофельный крахмал легче разваривается, из него выше

выход спирта. Сусло из картофеля имеет более полноценный со-

став по азотистому и фосфорному питанию для дрожжей. При

переработке картофеля производительность завода на 10% боль-

ше, чем при переработке зерна, меньше расход топлива и в целом

ниже себестоимость спирта.

Однако картофель более трудоемок при выращивании, не

выгодно его транспортировать на далекие расстояния, при его

хранении велики потери из-за высокого содержания влаги и под-

верженности заболеваниям. Спирт из картофеля содержит повы-

шенное количество метанола, образующегося при распаде пекти-

новых веществ.

Зерно лучше хранится, транспортируется, меньше потерь на

всех стадиях производства спирта при переработке зерна.

Зерновой спирт имеет более высокое качество, чем карто-

фельный, однако в нем могут присутствовать терпены, придаю-

щие спирту жгучий вкус.

Меласса содержит все необходимые вещества для развития

дрожжей, поэтому мелассное сусло быстрее сбраживается. При

переработке мелассы упрощается технологическая схема, так как

исключаются стадии разваривания и осахаривания. Мелассная

барда используется для производства большого ассортимента

продуктов.

Однако, качество спирта из мелассы самое низкое, так как

при сбраживании образуется большое количество побочных про-

дуктов.

2.5 Ферментные препараты

Ферментные препараты применяются в качестве осахари-

вающих материалов. Они производятся на спиртовых заводах, а

также на специализированных предприятиях микробиологиче-

ской промышленности.

Ассортимент их достаточно широк, продуцентами их могут

являться как плесневые грибы, так и бактерии, дрожжеподобные

микроорганизмы. Для промышленного получения ферментных

препаратов используют, в основном, селекционированные штаммы,

продуцирующие заданный набор ферментов. Отбор микроорганиз-

мов-продуцентов до недавнего времени проводился по способно-

сти их к накоплению амилолитических ферментов: α-амилазы и

глюкоамилазы. В настоящее время считается, что для увеличения

выхода спирта ферментативный комплекс препаратов, исполь-

зуемых для осахаривания, должен содержать ферменты, гидроли-

зующие некрахмальные полисахариды.

На спиртовых заводах, в основном, используются поверхно-

стные сухие культуры плесневых грибов Аspergillus awamori

(Глюкоаваморин Пх) и Аspergillus oryzaе (Амилоризин Пх), сухой

препарат бактериальной амилазы Bacillus subtilis – Амилосубти-

лин Г3х, глубинные культуры микроорганизмов плесневых гри-

бов Aspergillus awamori (Глюкоаваморин Пх), Aspergillus batate

(Глюкобататин Гх), бактерии Bacillus mezentericus (Амиломезен-

терин Гх), Endomicopsis bispora (Глюкоэндомикопсин Гх). В по-

следнее время широко используются ферментные препараты раз-

личных зарубежных фирм, содержащие термостабильную амила-

зу, глюкоамилазу, а также ферменты, гидролизующие белок и не-

крахмальные полисахариды.

Качество ферментных препаратов оценивается по физико-

химическим и биологическим показателям в соответствии с тре-

бованиями стандартов. Характеристика их приведена в таблицах

2.2–2.7.

Таблица 2.2 – Характеристика сухих поверхностных культур плесневых

грибов

Характеристика и нормы

Амилоризин Пх по ОСТ 59-6

категории

Показатели

Глюкава-

морин Пх

по ОСТ

59-10

1 2 3

Внешний вид Мелкозернистый продукт

Цвет Светло-серый или бежевый

Величина частиц, мм, не бо-

лее

5,0

Влажность,%, не более 13,0

Амилолитическая способ-

ность (АС), ед/г, не менее

45,0

250 ± 25 200 ± 20 150 ± 15

Осахаривающая способ-

ность, (ОС), ед/г, не менее

Не норми-

руется

10,0