Контрольная работа
Основные физико-химические и биохимические процессы в технологии спирта
Содержание
1.Превращения крахмала и низших углеводов, азотистых и пектиновых веществ во время водно-тепловой обработки крахмалистого сырья
.Превращения крахмала и белковистых веществ под действием ферментов солода и ферментных препаратов при осахаривании крахмалистого сырья
.Процессы, происходящие на стадии брожения в производстве спирта
Литература
спирт крахмал фермент солод
.Превращения крахмала и низших углеводов, азотистых и пектиновых веществ во время водно-тепловой обработки крахмалистого сырья
Основная задача водно-тепловой обработки крахмалистого сырья в производстве спирта - подготовка сырья к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами солода или ферментного препарата.
Для обеспечения полного осахаривания молекулы крахмала должны быть доступны для действия амилолитических ферментов. Для этого надо разрушить структуру зерна, стенки клеток эндосперма, крахмальные зёрна, растворить крахмал в воде (оклейстеризовать).
Это достигается механическим измельчением зерна до частиц размером (1,0…1,5) мм и менее, предразвариванием, развариванием под давлением, охлаждением разваренной массы под разрежением.
Механическое измельчение (дробление) сухого зерна позволяет полностью разрушить его структуру. После измельчения дроблёное зерно подвергают водно-тепловой обработке, во время которой происходят структурно-механические и химические процессы.
В тёплой воде во время приготовления замеса набухают молекулы белка, крахмала, некрахмалистых полисахаридов, адсорбционно и осмотически поглощая молекулы воды, происходит экстрагирование легко растворимых веществ: простых углеводов, аминокислот, минеральных веществ. Ослабляется структура крахмальных зёрен и стенок клеток эндосперма, оставшихся неразрушенными после измельчения зерна. При температуре около 900С частично разрываются стенки клеток эндосперма, происходит частичнаяклейстеризация крахмала в разрушенных крахмальных зёрнах.
После предразваривания замес поступает в варочный агрегат, где подвергается тепловому воздействию при высоких температурах и высоком давлении (максимальная температура 1700С, максимальное давление 0,71 МПа).
При температуре (120…130) 0С замес становится легкоподвижным. Наиболее полно клейстеризация амилопектина происходит: у пшеничного крахмала при температуре
(136…141) 0С, у ржаного крахмала при температуре
(121…127) 0С, у кукурузного крахмала при температуре (146…151) 0С.
Наряду с физико-химическими изменениями происходят и химические изменения крахмала, в основном гидролитические, при температуре до 105 0С. Под действием собственных амилаз зерна и термостабильной альфа-амилазы ферментного препарата микробного происхождения часть молекул крахмала превращается в низшие сахара и декстрины различной молекулярной массы.
Образование низших сахаров на этой стадии нежелательно, так как во время разваривания гексозы превращаются в оксиметилфурфурол, а он, в свою очередь, в муравьиную и левулиновую кислоты, а также в окрашенные вещества жёлто-коричневого цвета.
Исследовали разложение гексоз в диапазоне рН от 3,5 до 6,5 и установили, что чем выше рН замеса, тем энергичнее идёт разложение. При рН 3,5 разлагается до 5 % от общего количества гексоз, а при рН 6,5 - около 80 % от общего количества гексоз. Положительно влияет на сохранение низших сахаров использование более мягкого режима разваривания.
Во время водно-тепловой обработки крахмалосодержащего сырья белки набухают. При температуре до 70 0С проявляют активность протеолитические ферменты зерна. Часть белков гидролизуется с их участием до пептидов и аминокислот.
При температуре до 100 0С молекулы белка денатурируют, часть их коагулирует, несколько снижается количество растворимого азота в связи с коагуляцией.
При температуре 140 0С и выше происходит пептизация коагулированных белков, количество растворимого азота увеличивается.
Во время разваривания достаточно интенсивно идёт реакция меланоидинообразования с участием низших сахаров, содержащих карбонильные группы, а также аминокислот, пептидов и белков, содержащих аминогруппы. Схема реакции меланоидинообразования рассмотрена в предыдущей лекции. Реакция меланоидинообразования необратима и идёт в широком диапазоне рН и температур. Её скорость возрастает с повышением рН и температуры.
Пектиновые вещества во время водно-тепловой обработки гидролизуются с отщеплением метоксильных групп (-ОСН3). После присоединения молекулы воды к метоксильной группе образуется метиловый спирт - нежелательная примесь. Накопление метилового спирта при водно-тепловой обработке возрастает с увеличением температуры и продолжительности разваривания.
Активная кислотность при разваривании зерна нормального качества меняется незначительно, в пределах рН от 6,0 до 6,2, поскольку соли фосфорной и органических кислот, присутствующие в замесе и разваренной массе, обладают буферными свойствами.
При переработке дефектного зерна, которое подверглось самосогреванию и содержит повышенное количество органических кислот (молочной, уксусной, масляной и других), образовавшихся из углеводов под действием посторонней микрофлоры, наблюдается интенсивный кислотный гидролиз крахмала с накоплением и последующим разложением низших сахаров. В ходе разложения сахаров образуются муравьиная и левулиновая кислоты и кислотность разваренной массы дополнительно снижается.
С появлением промышленных дробилок для тонкого и сверхтонкого помола зерна удалось добиться не только разрушения структуры зерна, но и механохимической деструкции макромолекул.
Известно, что основным условием протекания любой химической реакции является уменьшение свободной энергии. Для активации реагентов можно применять катализаторы, в том числе биологические катализаторы-ферменты, нагревание и другие факторы. Можно активировать реагенты, используя воздействие механической энергии. В результате механического воздействия молекулы деформируются, что приводит к изменению их реакционной способности: в одних случаях наблюдается разрушение молекул, в других - полимеризация молекул. По мере развития деформации макромолекулы потенциальная энергия на всём деформируемом участке достигает такой величины, которая соизмерима с энергией разрушения химических связей в молекуле.
Установлено, что в результате сверхтонкого дробления изменяется молекулярная масса макромолекул зерна, меняется микроструктура, создаётся развитая поверхность помола, меняются его свойства.
Разные морфологические части зерна обладают разными структурно-механическими и физико-химическими свойствами.
Эндосперм достаточно хрупок, имеет крупные клетки, содержимое которых может быть мучнистым или стекловидным.
Чтобы разрушить мучнистый эндосперм зерна пшеницы, надо создать усилие сжатия 1,7 МПа, а для стекловидного эндосперма - 3,3 МПа.
Значительно меньшее сопротивление эндосперм оказывает усилию скалывания (в 3…5 раз меньше, чем усилию сжатия) и ещё меньшее сопротивление усилию резания.
Зародыш зерна более, пластичен, чем остальные части зерна. Он хуже поддаётся механическому разрушению.
Клетки алейронового слоя мелкие, с прочными стенками, трудно поддаются измельчению.
Оболочки зерна обладают вязкостью, измельчаются с трудом. Величина разрушающих усилий для оболочек зерна зависит от того, к какой зерновой культуре и биологическому сорту относится зерно, а также от влажности, от направленности усилий. Для оболочки зерна пшеницы величина разрушающих усилий колеблется от 9,4 до 31,6 МПа в зависимости от сорта пшеницы (максимальные усилия необходимы для оболочки пшеницы твёрдых сортов влажностью 18 %).
Сухое зерно - более хрупкое, влажное - более пластичное, поэтому удельное усилие для разрушения зерна с увеличением влажности увеличивается.
Труднее всего измельчать зерно кукурузы, имеющее очень прочную оболочку, что заставляет, по сравнению с зерном пшеницы, в два раза снижать производительность дробилки.
Доказано, что в результате механо-химического воздействия происходит разрушение связей альфа-1,4 и альфа-1,6 молекул крахмала (от 30 до 50 % от общего количества молекул крахмала в зависимости от типа дробилки и от продолжительности воздействия) до сбраживаемых сахаров.
Разрушаются даже относительно прочные молекулы целлюлозы (около 58 % от общего количества молекул целлюлозы), пентозанов (обнаружено в помоле до 7 % пентоз, хотя в недроблёном зерне их не было в свободном состоянии).
Белки в результате механо-химического воздействия превращаются в аминокислоты, о чём свидетельствует увеличение количества аминного азота в сверхтонком помоле зерна на 41,7 % по сравнению с содержанием аминного азота в исходном зерне.
Химический состав грубого и сверхтонкого помола зерна приведён в таблице 1.
При сверхтонком измельчении, помимо разрушения макромолекул, возникают внутренние и поверхностные дефекты частичек помола, что облегчает доступ воды и ферментов к крахмалу и белку.
Таблица 1 - Химический состав грубого и тонкого помола зерна
ПоказательСодержание в грубом помоле, %Содержание в сверхтонком помоле, %Водорастворимые сахара0,0210,260Нерастворённый крахмал0,4590,250Спирторастворимые сахара0,0180,120Декстрины0,0030,126Аминный азот0,0240,034
В замесе, приготовленном из сверхтонкого помола зерна, температура клейстеризации крахмала снижается на (24,1…46,9) % в зависимости от концентрации сухих веществ в замесе. Чем выше концентрация сухих веществ в замесе, тем значительнее понижение температуры клейстеризации.
Для получения разваренной массы из замеса, приготовленного из сверхтонкого помола зерна, достаточно температуры 900С, что позволяет снизить термическую деструкцию низших углеводов, накопление продуктов меланоидинообразования. Из-за превращения некрахмалистых полисахаридов в сбраживаемые углеводы (глюкозу) возрастает общее содержание сбраживаемых углеводов при использовании сверхтонкого помола.
. Превращения крахмала и белковистых веществ под действием ферментов солода и ферментных препаратов при осахаривании крахмалистого сырья
В производстве спирта разваренную массу из крахмалистого сырья охлаждают до температуры (58…60) 0С и осахаривают крахмал под действием ферментов солода, амилолитических ферментных препаратов или смеси солода и амилолитических ферментных препаратов с целью полного гидролиза крахмала до сбраживаемых углеводов.
В отличие от производства пива, осахаривание в производстве спирта начинается в осахаривателе при температуре, оптимальной для действия амилолитических ферментов, и продолжается вплоть до конца дображивания в условиях менее благоприятных для действия амилолитических ферментов.
Амилолитические ферменты солода и ферментных препаратов отличаются по своим свойствам. Состав продуктов гидролиза крахмала отличается в заметной мере.
Традиционная технология предусматривает осахаривание крахмала ферментами смеси солодов, содержащей комплекс амилолитических ферментов: альфа-амилазу, бета-амилазу, конечную (предельную) декстриназу (олиго-1,6-глюкозидазу). Последняя катализирует гидролиз альфа-1,6-связей в молекулах крахмала и декстринов. Основным углеводом сбраживаемого сусла является мальтоза, которая начинает образовываться в осахаривателе с участием бета-амилазы. Свойства альфа- и бета-амилазы ячменного солода рассмотрены в предыдущих лекциях.
Амилолитические ферменты ферментных препаратов содержат альфа-амилазы, одни из которых называют сахарогенными, другие - декстриногенными.
Сахарогенныеальфа-амилазы катализируют гидролиз крахмала с образованием примерно 60 % низших сахаров (в основном глюкозы) и 40 % декстринов от общего количества продуктов гидролиза.
Декстриногенныеальфа-амилазы катализируют гидролиз крахмала на 40 % до низших сахаров (в основном глюкозы) и на 60 % до декстринов.
Альфа-амилазы ферментных препаратов более термостабильны, чем альфа-амилаза солода. Некоторые из этих альфа-амилаз сохраняют свою активность при температуре выше 100 0С под защитой коллоидов, в первую очередь крахмала.