Призначення процесу оцукрювання

Розрідження та оцукрювання крохмалю ферментативним гідролізом добре досліджено та вивчено. Призначення його полягає в перекладі крохмалю, що міститься в розвареній масі, цукру (мальтоза + декстрини) під впливом амілази зеленого солоду або пліснявих грибів при підготовці його (крохмалю) до зброджування.

У 1811 році ад'юнкт Російської Академії наук Костянтин Кірхгоф відкрив перетворення крохмалю на цукор при кип'ятінні із сірчаною кислотою. За це відкриття його було обрано екстраординарним академіком та нагороджено пенсією. У 1814 році Кірхгоф відкрив іншу не менш важливу каталітичну реакцію - дію діастсу солоду на крохмаль.

У статті "Про приготування цукру з крохмалю" Кірхгоф вказував, що "висока ціна арабського гуммі спонукала мене шукати дешевого сурогату останнього. І здавалося мені можливим і досяжним усунути желатиноподібний стан кип'яченого крохмалю за допомогою розбавлених мінеральних кислот і теплоти, а якщо це вдалося б, я, тоді він (крохмаль) мав бути схожим на арабське гуммі". І справді, сьогодні загальновідомо, що сірчана, азотна та щавлева кислоти знищують желатиноподібний стан крохмалю і під їх воєдією при тривалому нагріванні крохмаль перетворюється на глюкозу.

Для вивчення еволюції уявлень про процес гідролізу, окремим випадком якого є оцукрювання крохмалю, становлять інтерес думки професора О.М. Ходнєва.

1852 року професор Ходнєв висловив думку, що каталізатор є хімічно активною речовиною, яка дає проміжні продукти. Каталітичний вплив кислот на крохмаль і перетворення його в глюкозу професор Ходнєв пояснював попереднім утворенням "парних сполук", наприклад сірчана кислота приєднується до крохмалю, а це з'єднання легко розпадається при нагріванні з водою на сірчану кислоту і вуглевод, який в хвилину виділення поглинає воду і переходить у виноградний цукор”.

Дія діастазу зеленого сооду на крохмаль, на думку професора Ходнєва, також полягає у поступовому утворенні та розкладанні "парних сполук".

Останнім часом стали відомі природа та склад ферментів. Встановлено, що фермент складається з білкової частини (апоферменту) та вільної від білка частини (простетичної), яка називається коферментом.

Кофермент можна відокремити від апоферменту шляхом діалізу, причому у вільному стані коферменти термостабільні. При поєднанні коферменту з апоферментом відновлюється властива молекулі ферменту активність.

Молекула апоферменту має, мабуть, функції активування полярних груп і зв'язування ферменту з субстратом.

З'єднання ферменту з субстратом може гальмуватись речовинами, що утворюють з ферментом стійкі сполуки.

Припущення про утворення проміжних сполук ферменту та субстрату раніше ґрунтувалося головним чином на вивченні кінетики реакцій за різних умов. В даний час утворення пероксидазою та каталазою комплексів із субстратом доведено спектрофотометричним аналізом.

При тісному дотику реакційної групи ферменту з реакційною групою субстрату утворюється фермент субстратний комплекс.

У фермент субстратному комплексі є зв'язок між полярними групами ферменту і субстрату.

Механізм зв'язку комплексу фермент-субстрат був також доведений за допомогою глюкозофосфатів, спеціально помічених атомами 14 .

З'єднання ферменту з субстратом залежить від просторового розташування вступають у реакцію груп ферменту та субстрату та їх конфігурації.

Багато деталей механізму освіти ферментсубстратного комплексу вивчені ще недостатньо, але з упевненістю сказати, що у його освіті беруть участь кілька реакційних груп субстрату і ферменту. Це положення підтверджується специфічністю ферментативних реакцій, причому важливу роль при цьому форма поверхонь реагуючих груп ферменту та субстрату.

Як відомо, при ферментативному гідролізі крохмалю в умовах спиртового виробництва виходить мальтоза та суміш проміжних продуктів, які називають декстринами.

Мальтоза легко зброджується дріжджами з утворенням спирту (і побічних продуктів бродіння) та вуглекислоти, а перетворення декстринів на цукри та зброджування їх відбувається в період дображивания під дією амілолітичних ферментів, що розріджують.

Процес оцукрювання крохмалю протікає у дві стадії: у першій відбувається зменшення в'язкості розчину крохмалю (розрідження) і в другій - власне оцукрювання (перетворення на цукри та декстрини).

Фермент або інший каталізатор змінюють реакцію так, що вона стає можливою за більш низької енергії активації. Так, інверсія сахарози потребує витрати 26000 кал/моль,а при дії ферменту лише 13000 кал/моль.Внаслідок зниження енергії активації реакції йдуть із більшою швидкістю, оскільки більшість молекул стає досить активної.

Механізм активування можна розглядати як результат зіткнення молекул, що реагують, або збільшення зіткнень всередині молекул.

В результаті хімічної та адсорбційної взаємодії ферменту з субстратом утворюється проміжний комплекс, від швидкості розпаду якого залежить швидкість цієї реакції. Наприклад:

Швидкість реакції може визначатися кількістю активних молекул, тобто. молекул, що мають достатню енергію активації і реагують в одиницю часу.

p align="justify"> При ферментативних процесах константа рівноваги не змінюється, збільшується лише швидкість протікання реакції в одному напрямку.

Перехід амілази солоду в розчин може бути прискорений створенням умов, що сприяють осмотичному проникненню води всередину пророслого солоду з подальшою дифузією амілази через стінки солодового зерна.

Зменшення активності амілази під впливом тих чи інших добавок пов'язані з адсорбцією певних речовин за місцем їх активних груп. Амілаза, що має активні групи, здатна до адсорбції неорганічних та органічних речовин.

Блокування активних груп амілази металів, наприклад, заліза, алюмінію, свинцю, при розчиненні солей відповідних металів призводить до того, що полярні групи не можуть проявляти своїх функцій, тобто активно взаємодіяти з полярними групами крохмалю.

Забродський і Вітковська показали, що меланондинові речовини мають інактивуючу дію на амілолітичні ферменти солоду, і встановили їхню негативну роль у процесі оцукрювання крохмалю розвареної маси.

Наважку диспергованої сировини (50 або 100 г) переносили в літрову колбу та додавали воду у співвідношенні 1: 2,5.

Суміш ретельно перемішували мішалкою (від електромотора) при кімнатній температурі протягом 30-40 хвилин, після чого підігрівали до 55° і оцукрували протягом 30 хвилин солодовою витяжкою. 20% солодову витяжку готували з рівних частин ячмінного і просяного солодів.

Витяжку додавали до оцукрюваної диспергованої зернової сировини з розрахунку 16% солодового зерна (ячменю і проса) по відношенню до крохмалю сировини.

При дії a-амілази та b-амілази на амілопектин залишають нерозщеплений залишок, що містить фосфодекстрини. Розрив зв'язків з фосфорною кислотою досягається дією декстринолітичного ферменту - декстринофосфази, званої скорочено декстриназою. Отже, для повного розщеплення молекули крохмалю потрібна наявність декстринази.

Збільшення a-амілазної активності має дещо інший характер. У зернах ячменю, що покояться, a-амілазна активність дорівнює нулю, і тільки після тривалого зберігання в зерні можна виявити її сліди При пророщуванні зерна на третій-четвертий день спостерігається стрибок у збільшенні вмісту a-амілази, після чого a-амілазна активність поступово збільшується. При температурі 12-14°С межа досягається через 11-14 діб, при температурі 18-20°С на сьому добу, а при температурі 27-28°С на п'яту добу.

Декстриназа, як і амілаза, накопичується в міру пророщування зерна. На початку пророщування накопичення декстринази, як і всіх ферментів зерна, відбувається повільно, потім після чотирьох діб швидше, а в кінці (на десяту добу) майже припиняється. На малюнку дано графічне зображення динаміки накопичення амілази та декстринази в умовах струмової солодовні для ячменю, вівса та проса.

Тривалість пророщування тісно пов'язана з температурою, що нижча температура, то довше потрібно пророщувати зерно.

У солоді різних злаків міститься різна кількість цих ферментів. Таким чином, розрізняють чотири групи злакових:

Одну зернову культуру недостатньо вирощувати на солод. Беруть 2,3 солоду, щоб отримати високий вміст усіх ферментів. Найчастіше беруть ячмінний та житній солоду (джерела альфа та бетаамілази) та просяний солод (декстриназа). Або суму трьох солодів: ячмінного, просяного та вівсяного.

На вітчизняних спиртових заводах для оцукрювання використовують несушений солод. Він не може довго зберігатись, тому на кожному спирті. заводі його готують у кількості, необхідної для поточної роботи.

Кінцевими продуктами оцукрювання крохмалю під дією амілази солоду є мальтоза та декстрини. Співвідношення між кількістю цих продуктів і діючої на крохмаль амілази солоду не завжди і залежить від багатьох факторів, головним чином від температури оцукрювання.

Проніним було показано, що зі збільшенням кількості амілази солоду змінюється кінцеве співвідношення між мальтозою і декстринами дуже сильно у бік мальтози. Виникає питання про оптимальну кількість солоду, необхідну для оцукрювання.

Малченко і Кріштул, вивчаючи оцукрювання крохмалю з різною кількістю солоду, показали, що для оцукрювання можна вживати меншу кількість солоду проти прийнятої в промисловості - до 5% до ваги сировини, що переробляється.

Вони встановили оптимальні кількості солоду, необхідні для оцукрювання розвареної сировини, що містить крохмаль. Для вивчення процесу оцукрювання диспергованої сировини та визначення оптимальної кількості солоду нами була досліджена кінетика оцукрювання диспергованої сировини амілазою солоду.

Для даних досліджень брали 50 гдиспергованого вівса та 150 млводи. Суспензію диспергованого вівсяного борошна розмішували за допомогою мішалки при кімнатній температурі протягом 30 хвилин, після чого нагрівали колбу до 57° і витримували на водяній бані при 59°.

Наведені дані показують, що оптимальна кількість солоду, необхідна для оцукрювання диспергованого крохмаль містить сировини, лежить в межах 6-8% від ваги цукрів сировини, що було підтверджено також зброджуванням диспергованого вівса.

Всі заводські дослідження з оцукрювання та зброджування диспергованої крохмалевмісної сировини ми провели з 8% солоду (ячмінь і просо) від ваги диспергованої сировини.

Ними встановлено, що збільшення активності солоду аміази на 1,5 - 5% може бути досягнуто при пропусканні через розчин змінного струму силою 0,013 - 0,015 ампер. У разі збільшення сили струму активність амілази зменшується.

Забродський вказує, що солодове молоко, приготоване на оцукраненій масі, покращує процес оцукрювання та розчинність крохмалю солоду.

Таблиця. Екстрагування амілази солоду.

Вивчення тривалості оцукрювання на чистих розчинах крохмалю показало, що зміна тривалості оцукрювання від 5 хвилин до 2 годин не впливає на показники зброджених розчинів. При оцукрювання розвареної маси із зерна протягом 5 - 45 хвилин спостерігалося дещо збільшений вміст нерозчиненого крохмалю в бражках при швидкому оцукрювання, кількість незброджених цукрів і декстринів було однаковим. Оцукрювання розвареної маси при 55 - 58 °С протягом 15 - 120 хвилин майже не викликає збільшення вмісту в розчині речовин, що зброджуються, але при більш тривалому оцукрювання помітно підвищується концентрація оцукрюваної маси. Так, якщо після 15 хвилин оцукрювання концентрація оцукровеної маси була 13,8% (за сахарометром), то після 120 хвилин вона підвищилася до 14,8%.

Таким чином, при виборі режиму оцукрювання у виробничих умовах слід враховувати не тільки температуру, а й тривалість її впливу, а також спосіб завдання солодового молока.

Дослідження, проведені в Українському НДІСП (Раєв, Ашкінузі), показали, що при оцукрювання двоступінчастим методом краще зберігається активність амілолітичних ферментів солоду, причому осахаривані в першому ступені протягом 10 хвилин і в другому ступені - 2 хвилини дає оцукровену масу з кращими. при 10 хвилинному оцукрювання в кожному ступені. З точки зору підвищення виходів спирту двоступінчасте оцукрювання вигідніше, ніж одноступінчасте.

Дослідженнями Раєва, Ашкінузі, Дражнера і Базилевича виявлено залежність оцукрювальної та декстринолітичної здатності від способу оцукрювання.

Цими авторами встановлено, що фільтраційний аналіз (визначення швидкості фільтрації) може бути критерієм оцінки режиму оцукрювання. У таблиці показана залежність швидкості фільтрації оцукровеної маси від тривалості оцукрювання (при температурі оцукрювання 63-64°С).

Таблиця. Швидкість фільтрації заторів після 1-го ступеня оцукрювання.

Фільтрованість оцукровеної маси обумовлена ​​як розщепленням крохмалю на мальтозу і декстрини, так і накопиченням мальтози, що знижує в'язкість розчину.

Якість оцукровеної маси залежить від прийнятого режиму розварювання.

Забродський та Положишник показали, що фільтраційний, спектрофотометричний аналіз та потенціометричне титрування можуть бути використані для виробничої характеристики розвареної та оцукровеної маси.

У таблиці наведено показники фільтрації оцукровеної маси при вакуумі 800 мм вод.ст.

Таблиця. Залежність фільтрації оцукровеної маси від температури розварювання.

Чистий крохмаль, позбавлений білків та інших колоїдних домішок, має більшу здатність до фільтрації. Повільніше фільтрується оцукровена маса з нормальної кукурудзи і ще повільніше - з дефектної кукурудзи, що може бути пояснено утворенням колоїдних речовин, що мають більшу гідрофільність (здатність вбирати і утримувати воду).

На думку Забродського, у дефектному зерні за високої температури, поряд із розчиненням та розпадом білкових сполук, відбувається синтез нерозчинних у воді гумусоподібних речовин.

Климовський, Коновалов та Залеська встановили, що при оцукрювання розвареної маси кількість розчинного азоту збільшується за рахунок дії протеолітичних ферментів солоду залежно від прийнятого температурного режиму розварювання зернової сировини.

Найбільше розчинного азоту (75% від загального азоту сировини) утворюється при температурі розварювання 150°З найменше (32,8%) - за нормальної температури - 100°С. При підвищенні температури розварювання до 120 – 140°С кількість розчинного азоту становить 40 – 41,9%.

Таким чином, нативні білки крохмалистої сировини краще розщеплюються ферментами солоду, ніж прогріті білки сировини.

Гідролітичне розщеплення деякої частини білків і жирів зерна, розпад вуглеводів, звільнення фосфорної кислоти з органічних та неорганічних сполук сприяє утворенню речовин, які мають кислотні властивості.

Кислотність оцукровеної маси з дефектного зерна в 1,5-2 рази вище кислотності оцукровеної маси з нормального зерна. Зміна кислотності залежно та умовами розварювання сировини графічно зображено малюнку.

Кольоровість оцукровеної маси може бути певним критерієм процесів, що відбуваються при нагріванні зерна. При підвищенні температури розварювання маса набуває солом'яно-жовтого і коричневого забарвлення різної інтенсивності. за кольоровістю можна до певної міри судити про якість розвареної маси. На малюнку наведено графік, що показує залежність кольоровості цукристої маси від температури розварювання.

Для оцукрювання крохмалю зерно-картопляної сировини застосовується суміш ячмінного, просяного та вівсяного солодів, причому сума просяного та вівсяного солодів має бути не менше 30%. Допускається застосовувати суміш із двох солодів: ячмінного та вівсяного або просяного. Ячмінний солод можна замінювати житнім (або пшеничним) повністю або частково, а просяний – солодом із чумізи. Забороняється використовувати солод із однієї культури при виробництві спирту із зерна тієї ж культури (Смирнов В.А., 1981).