Осахаривание пшеницы ферментами. Ферменты в производстве спирта

Злаковые культуры - это основное сырье для производства спирта и получения дистиллята. Прежде всего, это ячмень, овес, рис, кукуруза, пшеница и т.д. Используют их по нескольким причинам:

• Относительно небольшая стоимость
• Приятный органолептический профиль получаемого продукта
• Высокий выход спирта

Традиционная брага делается из сахара и дрожжей. Дрожжи нужны, чтобы расщепить сахар, в результате чего образуется спирт. Однако в зерне сахара как такового нет, зато много крахмала. Чтобы получить брагу из зерна, крахмал нужно разрушить ферментами. Это белковые вещества, которые делают возможными или ускоряют химические реакции, нужные для образования спирта. Ферменты содержатся в пророщенном зерне (солоде) и продаются как препараты в чистом виде.

Следовательно, есть три способа сделать зерновую брагу:

1. Использовать солод, чтобы осахарить крахмал в зерне. Так можно осахарить до 40% от засыпи не соложенного зерна.
2. Прорастить зерно, чтобы ферменты накопились в нем естественным образом. То есть сделать солод.
3. Использовать фермент в виде препарата и несоложеное сырье.

Второй способ дешевле и позволяет получить результат быстрее.

Строение зерна

Чтобы понять, как именно перерабатывается зерно при затирании, необходимо разобраться в его строении. Рассмотрим на примере ячменя.

Внутреннее строение зерна ячменя

1-зародыш стебля, 2-зародыш листа, 3-зародыш корня, 4-щиток, 5-слой эпителия, 6-эндосперм, 7-пустые израсходованные клетки, 8-алейроновый слой, 9-семенная оболочка, 10-плодовая оболочка, 11-мякинная оболочка

Зерно ячменя представляет собой зерновку, оболочка которой состоит из нескольких клеточных слоев.

Оболочки объединяются в мякинную (или цветочную) - наружная оболочка, плодовую (или перикарп) и семенную (или теста).

Мякинная оболочка у большинства ячменей срастается с зерновкой. Мякинная оболочка очень прочная, именно она предохраняет зерно от механических повреждений. В основном состоит из целлюлозы, небольшого содержания кремниевой кислоты, липидов и полифенольных соединений.

Под мякинной оболочкой находятся сросшиеся плодовая и семенная оболочки . Семенная оболочка полупроницаема, она хорошо пропускает воду, но задерживает растворенные в воде вещества. Это свойство семенной оболочки позволяет обрабатывать зерно водой с различными химическими веществами, которые не проникают в зерно и не повреждают зародыш.

Эндосперм (мучнистое тело) покрыт алейроновым слоем. Он состоит из многочисленных клеток, богатых белками. В прорастающем ячмене алейроновый слой является местом образования ферментов.

Основными компонентами клеточных стенок алейронового слоя являются некрахмалистые полисахариды - пентозаны (70%) и β-глюкан (30%).

Мучнистое тело (эндосперм) занимает всю внутреннюю часть зерна, состоит из крахмальных зерен разного размера. Около 98 % сухого вещества зерен приходится на крахмал.

Химический состав

Белковых веществ в ячмене в среднем содержится 10,5-11%.

В ячмене белки содержатся:

1. алейроновом слое - в виде ферментативного белка (альбумины и глобулины);
2. На наружной стороне эндосперма - резервный белок (проламины);
3. эндосперме - тканевый белок (глютелины).

По своему аминокислотному составу белки ячменя относятся к достаточно полноценным (в зерно ячменя входит более 20 аминокислот).

Углеводы представлены моно- и полисахаридами, главным образом крахмалом, содержание которого колеблется от 50 до 64%. Клетчатки содержится 5–6%, сахаров и декстринов до 6% (в том числе до 2% сахарозы и 0,4% непосредственно редуцирующих сахаров), жира - 2,1–2,6%, минеральных веществ - 2,5–3,5%. Большая часть клетчатки и минеральных веществ сосредоточена в пленке и оболочках зерна.

Зерно в производстве спирта: теория

Зерно ячменя обладает высокой активностью ферментов (амилазы, протеазы и пероксидазы), поэтому является хорошим материалом для приготовления солода.

Богатый химический состав предопределяет использование злаков в качестве исходного сырья для производства спирта. Эти вещества являются питательными компонентами для дрожжей, а следовательно брожение в данной среде будет проходит гораздо лучше и конечный продукт будет обладать отличной вкусоароматикой.

Основным источником спирта при брожении являются углеводы. В зерне они представлены крахмалом. Дрожжи перерабатывают на спирт только моно, дисахариды и некоторые декстрины. Крахмал является полисахаридом, состоящим из амилозы и амилопектина. Дрожжи перерабатывают крахмал только при условии разрушения молекулы на простые углеводы (моно и дисахариды). Именно для этого процесса необходимы ферменты.

Температура клейстеризации крахмала – температура при которой происходит набухание и разрушение структуры крахмальных зерен, этот процесс позволяет ферментам произвести полное осахаривание крахмала.

Соответственно если температура клейстеризации выше рабочей температуры фермента, то сначала проводят отварку (нагрев затора до 90-100 градусов) для набухания и разрушения структуры крахмальных зерен, затем производят охлаждения до рабочей температуры и вносят фермент.

Что такое фермент

Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы, способные активизировать различные химические реакции в живом организме.

Проще говоря это белковые молекулы, которые ускоряют химические реакции, если поместить их соответствующие условия (температура и рН). У каждого фермента эти условия индивидуальны.

По специфичности воздействия на различные высокомолекулярные полимеры зерна ферментные препараты можно поделить на 3 группы.

1. Амилолитического действия - способствуют гидролизу крахмала. К ним относятся ферменты разжижающего, декстринирующего и осахаривающего воздействия.
2. Протеолитического действия - разрушают (гидролизуют) белковые молекулы.
3. Целлюлолитического действия - гидролизуют некрахмалистые полисахариды, например целлюлозу.

1. Нативного происхождения - образуются в зерне при проращивании;
2. Микробиального происхождения - полученные с помощью плесневых грибов;
3. Бактериального происхождения - культивированы бактериями

Так же ферменты делятся на жидкие и сухие.

Если использовать микробиальные и бактериальные ферменты, отпадает необходимость в соложении зерна. К тому же данные ферменты обладают более широким температурным диапазоном действия по сравнению с нативными.

Есть два способа переработать зерновые культуры, чтобы расщепить крахмал на сахара:

1. Затирание с помощью нативных ферментов содержащихся в пророщенном зерне. Этот процесс является классической технологией производства заторов. Но он является довольно трудоемким, включающим в себя проращивание зерна, передерживание температурных границ при затирании, так же пророщенное зерно на порядок выше в цене обычного зерна.
2. Затирание с помощью ферментов полученных бактериально. Данный метод является прогрессирующим и набирающим все большую популярность. Его основным преимуществом является относительная дешевизна и простота в использовании. Бактериальные ферменты позволяют использовать непророщенное зерно, что снижает конечную стоимость готовой продукции а так же экономит время и силы. Так же бактериальные ферменты имеют более широкий температурной диапазон действия что позволяет расширить область его применения в технологическом процессе.

Ферменты в магазинах «Доктор Губер»

Чтобы переработать зерно в домашних условиях в первую очередь необходимы ферменты амилолитического действия. У нас они представлены следующими ферментами:

1. Амилосубтилин - ферментный препарат мезофильной бактериальной α-амилазы. Гидролизует внутренние α-1,4-гликозидные связи крахмала (амилозы и амилопектина) и продуктов их последовательного расщепления, что приводит к быстрому снижению вязкости клейстеризованных растворов крахмала на стадии разжижения, тем самым, обеспечивая подготовку сусла к действию глюкоамилазы. Активность составляет 1500 ед.Ас/г. Температурный оптимум действия 30-60°С
2. Глюкаваморин - получают путем глубинного культивирования штамма плесневого гриба Aspergillus awamori. Гидролизует α −1,4 и альфа-1,6-гликозидные связи крахмала, декстринов, олигосахаридов, последовательно отщепляя глюкозу от нередуцирующих концов цепей. Применяется для осахаривания крахмала. Активность составляет 1500 ед.Гс/г. Температурный оптимум действия 30-60 °С

Препараты представлены в сухом виде в фасовке по 20 грамм.

Для работы с непророщенным зерном этих ферментов будет достаточно.

Ферменты в производстве спирта: практика

В первую очередь готовится водный раствор. Для этого сухой препарат растворяют водой в соотношении 1:10, температура воды 25-30 градусов и тщательно перемешивают, в таком состоянии препарат хранится не более 24 часов. Далее рассчитывается необходимое количество фермента.

Активность ферментов выражается в ед./г. вещества.

• Амилосубтилин - 2-4 ед. на грамм крахмала.
• Глюкаваморин - 2-4 ед. на грамм крахмала.

Пример расчета:

При затирании в аппарате объёмом 60 литров при гидромодуле 1:3 используем примерно 15 кг зерна (предположим, что зерном в данном случае является пшеница).

В зерне пшеницы в среднем содержится от 55 до 65% крахмала (табличные данные). Возьмем среднее значение 60%.

Это значит, что в 15 кг зерна содержится: 15*0.6= 9кг крахмала.

Дана дозировка ферментов и их активность на грамм крахмала:

• 1 грамм Амилосубтилина содержит 1500 ед.Гс, дозировка 2-4ед. (среднее 3)
• 1 грамм Глюкаваморина содержит 1500 ед.Ас, дозировка 2-4 ед (среднее 3)

На 9000 грамм крахмала нам необходимо:

• 9000*3= 27000 ед.АС для снижения вязкости
• 9000*3= 27000 ед.Гс для осахаривания крахмала

Что соответствует:

• 27000/1500= 18 грамм Амилосубтилина
• 27000/1500= 18 грамм Глюкаваморина

1 пакетика 20 грамм достаточно для осахаривания 15 кг пшеницы.

Расчеты были сделаны для затирания при Т=60°С. При температурах ниже 60°С желательно увеличить дозировку фермента на 20-30%.

После расчета и подготовки препарата его вносят вместе с измельченным зерном в воду и проводят затирание.

Для выработки спирта дрожжам нужен сахар. В зерновых культурах он содержится в виде крахмала – полисахарида, состоящего из цепочек молекул глюкозы, фруктозы и сахарозы. Дрожжи питаются только моносахаридами (одной молекулой), поэтому перед закладкой браги молекулярную цепочку крахмала нужно разделить на отдельные молекулы, иначе брожения не будет.

Осахаривание – это процесс расщепления крахмалосодержащего сырья (муки, крупы, картофеля и т.д.) до простых сахаров под воздействием естественных (из солода) или искусственных (синтетических) ферментов. В силу температурных особенностей технологии первый метод называется горячим осахариванием, второй – холодным.

В большинстве случаев зерновое сырье обходится дешевле чистого сахара, поэтому даже с учетом более низкого выхода делать брагу из злаков выгодно, а вкус зернового дистиллята намного приятнее сахарного. Теоретический выход абсолютного спирта из разных видов зерновых культур представлен в таблице.

Внимание! Это теоретические значения, в домашних условиях возможны потери спирта до 15%.

Горячее осахаривание солодом

Классический метод, использующийся столетиями. Во влажной среде зерно прорастает, благодаря чему активируются нужные ферменты, способные перерабатывать крахмал. Проросшее до определённого состояния зерно называют солодом, который бывает двух видов: зеленый и белый.

Зеленый солод используется для осахаривания сырья сразу после появления ростков оптимальной длины, но хранится до 3-х дней. Если проросший злак высушить, получится белый солод, который можно хранить намного дольше. Оба вида справляются со своей задачей с одинаковой эффективностью.

Преимущество осахаривания солодом в том, что для получения сахара требуются считанные часы, в результате брага отыграет быстрее, чем при добавлении искусственных ферментов.

Но у этого метода есть ряд недостатков:

• нужна высокая температура, при которой сырье может пригореть;
• требуется поддерживать стабильную температуру (60-72°C) на протяжении нескольких часов, что в домашних условиях иногда затруднительно;
• осахаренное сусло подвержено быстрому скисанию.

Технология осахаривания солодом

1. Крупу или муку медленно залить водой 50-55°C непрерывно помешивая, чтобы не образовались комки. На 1 кг сырья требуется 4-5 литров воды. Емкость заполнять не более чем на 75%.

2. Поднять температуру до 60°C и поддерживать 15 минут.

3. Довести смесь до кипения. В зависимости от сырья варить 60-120 минут до получения однородной кашеобразной массы. Мука варится меньше, крупа – дольше.

4. Охладить кашу до 63-70°C, добавить измельченный солод (150 грамм на 1 кг сырья), постоянно помешивая.

5. При достижении 61-65°C накрыть емкость крышкой и укутать любым доступным способом, чтобы сохранить тепло. Поддерживать указанную температуру 2-4 часа. На первых 50% временного интервала перемешивать каждые 30 минут.

6. Чтобы сырье не скисло, как можно быстрее снизить температуру до 25°C, внести дрожжи (обычно 5 грамм сухих или 25 грамм прессованных на 1 кг сырья), установить гидрозатвор и поставить на брожение в темное место с комнатной температурой. Брага отыграет за 2-6 дней.

При несоблюдении температурного режима осахаривание не произойдет или будет неполным, повторное нагревание бесполезно, поскольку ферменты утратят активность. Пропорции воды, солода и дрожжей примерные, точные значения и временные интервалы варки зависят от рецепта и вида сырья.

Холодное осахаривание ферментами

Солод можно заменить двумя ферментами – Амилосубтилином и Глюкаваморином. Первый частично расщепляет молекулы, второй – перерабатывает крахмал в сахар. Технология холодного осахаривания значительно проще и дешевле солодовой варки, а результат примерно одинаковый. Ферменты вместе с водой просто добавляют в сырье на этапе приготовления браги. Преобразование крахмала в сахар и брожение идут почти одновременно.

Преимущества осахаривания ферментами:

• проще для начинающих винокуров, у которых нет специального оборудования;
• не требует высоких температур и соблюдения температурных пауз;
• меньшие трудозатраты на приготовление браги.

Недостатки:

• требует наличия специальных ферментов;
• время брожения браги увеличивается до 10-20 дней;
• существует мнение, что ферменты продукт не натуральный и оставляют послевкусие даже после нескольких перегонок, поэтому в домашнем винокурении лучше придерживаться традиционного метода с использованием солода.

Технология холодного осахаривания

1. В бродильную емкость добавить исходное сырье (крупу, муку, крахмал, макаронные изделия и т.д.), воду 30-35°C (3-4 литра на 1 кг сырья), ферменты Амилосубтилин и Глюкаваморин (по 3-5 грамм на 1 кг), дрожжи (5 грамм сухих или 25 хлебопекарных прессованных на 1 кг).

Емкость нельзя заполнять больше чем на 70%, возможно активное пенообразование.

2. Перемешать, закрыть гидрозатвором, перенести в темное место с температурой 20-28°C.

3. Брожение начнётся через 1-5 часов, первые пару дней будет активным, потом интенсивность снизится. Время брожения – 7-25 дней. Если на поверхности появилась тонкая пленка, это признак скисания, брагу нужно срочно перегнать.

4. Готовую брагу снять с осадка и перегнать. Осветление бентонитом малоэффективно.

В зависимости от рецепта в брагу могут добавляться другие ингредиенты: антибиотики для предотвращения скисания, подкормка дрожжей для ускоренного брожения, кислота, стабилизирующая кислотность сусла и пеногаситель. Пропорции Амилосубтилина и Глюкаваморина зависят от активности ферментов и указываются на упаковке производителем.

Даже новички понимают, что для получения спирта в домашних условиях нужны углеводы. В идеале — простые сахара: сахароза, глюкоза или фруктоза. В зерновых культурах углеводы присутствуют в достаточном количестве, однако в форме крахмала. Каждая молекула крахмала в свою очередь состоит из фрагментов глюкозы. Когда для берут зерно в качестве сырья, перед приготовлением браги крахмал в нем осахаривают: разделяют на молекулы глюкозы, только тогда становится возможным процесс брожения. Осахаривание крахмала в зерновых можно осуществить при помощи проращивания части зерен с получением солода. При проращивании образуются ферменты, которые расщепляют крахмал до простых сахаров.

Использование зерна (солода) для приготовления браги значительно облагораживает конечный напиток. Зерновой самогон обладает большей мягкостью, чем обычный сахарный.

Солод можно заменить ферментами — Амилосубтилином и Глюкаваморином. Роль первого — расщеплять молекулы крахмала на более мелкие фрагменты, а второй отвечает за переработку этих фрагментов в простые сахара.

Рецепт холодной браги на ферментах значительно проще солодовой технологии и обходится такой способ дешевле.

Необходимо подготовить:

• 3 кг любого сырья (любые крупы, крахмал, муку и т.д.);
• 10 л воды комнатной температуры;
• по 12 г Амилосубтилина и Глюкаваморина;
• 75 г свежих дрожжей.

Емкость для брожения необходимо брать большую, учитывая возможное пенообразование. Хотя бы треть должна оставаться пустой.

Рецепт браги на ферментах

Приготовление браги:

• Воду довести до кипения, при постоянном перемешивании небольшими порциями внести муку (крупу) и отключить нагрев.
• Когда затор остынет до температуры 80°С внести в него фермент А и тщательно размешать.
• Оставить остужаться до температуры 65 градусов.
• При температуре затора 65°С внести фермент Г и тщательно размешать.
• Накрыть кастрюлю крышкой и оставить на 3-4 часа для осахаривания крахмала.
• Затем затор комнатной температуры перелить в емкость для брожения, внести активированные дрожжи, закрыть крышку, установить гидрозатвор и убрать емкость в теплое темное место.
• Ориентировочное время брожения — 7-10 дней.

Ферменты провоцируют быстрое начало брожения, буквально через 1-2 часа уже будут заметны пузырьки. Вся длительность брожения зависит от выбранного сырья. Она может колебаться от 1 до 3 недель. При использовании рецепта браги на ферментах в домашних условиях важно вовремя отследить готовность браги, чтобы не было скисания. Если на браге появляется тонкая пленка, заметная невооруженным глазом – необходимо срочно приступать к перегонке. Перегонять брагу лучше всего дважды.

Перед перегонкой брагу желательно осветлить. Сделать это можно при помощи бентонита или просто выставить ее на сутки на холод.

Сухие ферменты используют для получения сусла из муки и крупы различных злаков, а также из картофеля и других видов сырья, богатых крахмалом. Сухие ферменты оказывают такое же действие, как и натуральный солод, но значительно удобнее в применении. Амилосубтилин в основном способствует разжижению сусла, а Глюкаваморин – осахариванию.

Фасовка “А”-100 г, “Г”-100 г.

Рекомендуемая температура – 65-68 С
Время обработки – 0,5-1 час
Доза – 1-2 г Амилосубтилина и 0,5-1 г Глюкаваморина в расчете на 1 кг крахмала
Срок хранения – 1 год при температуре 0-25 С
Активность: “А”-1500 ед., “Г”-3000 ед.

Пример: на 1 кг пшеничной муки (75 вес% крахмала) нужно положить 1-2 г ферманта “А” и 0,5-1 г фермента “Г”

Инструкция по применению:

Инструкция по применению ферментных препаратов для получения спирта в домашних условиях.
Ферментные препараты: Амилосубтилин, Глюкаваморин.
Используются для осахаривания любого крахмала или крахмалосодержащего сырья (зерна, солода, муки, овощей, фруктов и т.д.).

Способ применения:
Стадия 1 (разжижение).
– Перед использованием сырье необходимо хорошо измельчить любым способом (размолоть, раздробить), пропустить через мясорубку после нескольких часов замачивания). Исходное сырье должно напоминать муку, так его будет легче использовать.
– Измельченное сырье залить теплой водой: на одну часть сырья 4 части воды, в которой предварительно растворить фермент Амилосубтилин.
– Полученную смесь заварить при постоянном перемешивании при температуре 70-80 градусов Цельсия, выдержать 30-60 минут до разжижения. Желательно строго придерживаться диапазона 70-80, т.к. при температуре ниже 70 ферменты могут хуже сработать, а если будет выше 80, могут просто “свариться”.
– Норма расхода ферментов на стадии 1:
Амилосубтилин 1500ед/г – 5-7 г на 10 кг сырья.

Стадия 2 (осахаривание).
– Разваренную и разжиженную смесь развести в 2 раза водой и охладить до 58-59 градусов Цельсия. Температура, как и в случае с предыдущей стадией, должна выдерживаться точно.
– Норма расхода ферментов на стадии 2:

Глюкаваморин: (3000ед/г) 12 – 20 г на 10 кг сырья.
: Расход – 10 г на 10 кг используемого сырья (3-4гр- на 1 кг. крахмала).

Ферменты развести предварительно в небольшом количестве теплой (до 60оС) воды, тщательно перемешать и внести в разваренную и охлажденную до 60оС смесь. Перемешивать периодически в течение 20-30 минут для максимального осахаривания крахмала сырья.

Стадия 3 (брожение)
– Охладить смесь до комнатной температуры, внести дрожжи для зерновой браги, перемешать и поставить в теплое место для сбраживания

Если вы решили приготовить зерновой самогон, вам необходимо выбрать способ приготовления браги.

Рецептов пшеничной браги много, но в основе лежат всего 3 технологии осахаривания крахмалосодержащего сырья.

• Горячее осахаривание ферментами или ГОС
• Холодное осахаривание ферментами или ХОС
• Осахаривание солодом

Целью использования ферментов является подготовка сырья для сбраживания дрожжами. Крахмал в чистом виде дрожжи не могут переработать.

Для его расщепления применяют бактериальный ферментный препарат Глюкаваморин (Глюкоамилаза). Он работает в паре с Амилосубтилином (альфа-амилаза), который обеспечивает подготовку сырья к действию глюкоамилазы.

Это основная группа ферментов, без которых дрожжи не будут потреблять крахмал. Кроме них существуют вспомогательные ферменты, такие как Протосубтилин и Целлолюкс. Они частично расщепляют белки и целлюлозу, увеличивая выход спирта.

В солоде ферменты вырабатываются в процессе проращивания зерна. Для этого зерно проращивают до образования ростка 5-6мм. Затем сушат и удаляют проросшие ростки и корешки.

Дозировка различных ферментов

В солоде достаточно ферментов, что бы осахарить себя и еще 4-5 кг. несоложеного зерна. Таким образом, для осахаривания 1 кг. любого зерна потредуется 200-250гр. Солода.

Пропорции же искуственных ферментов зависит от срока хранения и их активности, которая измеряется в единицах на грамм.

Следует знать, что ферменты являются катализатором процесса, а не расходной единицей. Если вы внесете меньше ферментов, чем требуется, процесс осахаривания затянется, но все равно произойдет.

Для конкретного расчета дозировки ферментов можно воспользоваться этим калькулятором: