Дървен алкохол (хидролизен алкохол). Преобразуване на въглехидрати в производството на храни

ПРОИЗВОДСТВО НА ЕТАНОЛ

Световният пазар на етанол е около 4 милиарда декалитра (декалитра абсолютен алкохол) годишно. Лидерите в производството на етанол са САЩ, Бразилия и Китай. В САЩ има 97 завода за производство на етанол от царевица (в процес на изграждане са още 35) с общ капацитет от 1,5 милиарда декалитра годишно.

Основните насоки за използване на етанол в световната практика:

- 60% - добавка към моторно гориво;

− 25% − химическа индустрия;

- 15% - хранително-вкусовата промишленост (нейният дял намалява).

Автомобилните горива на базата на етанол съдържат 10% етанол (гориво E-10) или 85% етанол (E 85). С цената на петрола от 60-70 долара за барел, биоетанолът се превръща в конкурентно гориво. Въвеждането на етанол в бензина елиминира необходимостта от добавяне на тетраетил олово към горивото, в резултат на което се намалява токсичността на отработените газове и разхода на гориво.

В Съединените щати се провеждат мащабни изследвания за производството на биоетанол от възобновяеми растителни материали (от стъбла на царевица, тръстика и др.)

В промишлени условия етанолът се получава чрез хидратиране на етилен в присъствието на катализатор (H 3 PO 4 върху силикагел), от хидролизати на растителни суровини (дървесина, царевични стъбла, тръстика), както и от суровини, съдържащи нишесте. материали (пшеница, ръж, тритикале, картофи), меласа, млечен серум, ерусалимски артишок. Среден добив на 95,5% етилов алкохол от 1 тон различни видовесуровините са представени в таблица 2.1.

Таблица 2.1

Добив на етанол от различни видове суровини

Край на таблица 2.1

В дестилериите на Република Беларус (има около 70 дестилерии с общ капацитет над 9 милиона декалитра годишно) за производството на етанол се използват суровини, съдържащи нишесте, главно зърнени култури. Съдържанието на нишесте в различните видове зърно е (в%): пшеница - 48–57; ръж - 46-53; ечемик - 43–55; овес - 34–40; просо - 42-60; царевица - 61–70. Зърното също съдържа (средно) захар ~ 3%; фибри ~ 6%; пентозани и пектинови вещества ~ 9%; азотни (белтъчни) вещества ~ 11%, мазнини ~ 3%.

Производители на етанол

В микробиологичния синтез класическите продуценти на етанол са дрожди – захаромицети и шизозахаромицети. Най-често се използва мая Saccharomyces cerevisiae,Saccharomyces vini,Schizosaccharomyces pombe.

Захаромицетите имат клетки кръгла формаС размери 10-15 микрона, размножават се чрез пъпкуване. Шизозахаромицетите имат големи пръчковидни клетки с диаметър 4-5 микрона и дължина 18-20 микрона, умножени чрез делене. И двете дрожди ферментират добре глюкоза, маноза, фруктоза, захароза, малтоза, по-трудно ферментират галактозата и не ферментират пентозните захари (ксилоза, арабиноза).

Теоретичният добив на етанол от 100 kg ферментирала глюкоза е 51,14 kg или 64,80 l (това произвежда 48,86 kg CO 2). На практика добивът на алкохол е 82-92% от теоретичния поради изразходването на част от субстрата за размножаване и растеж на дрождите и образуването на странични продукти.

Синтезът на етанол в клетка от дрожди се извършва по следната схема:

Странични продукти от алкохолната ферментация са глицерин, висши (фузелни) алкохоли, органични киселини (оцетна, пировиноградна, млечна, янтарна), алдехиди. При алкохолната ферментация захарта (глюкоза) се изразходва за образуването на различни вещества в следното количество: етанол - 46-47%, въглероден диоксид - 44-46%, биомаса на дрожди - 1,8-4,0%, глицерин - 3-4% , висши алкохоли - 0,3-0,7%, органични киселини - 0,2-1,0%, алдехиди - 0,1-0,2%. С многократното връщане на дрождите към ферментация, консумацията на захар за образуване на биомаса намалява, а интензивността на ферментацията дори леко се увеличава.

Образуването на глицерол по време на алкохолна ферментация се обяснява с факта, че по време на индукционния период (преди образуването на ацеталдехид) настъпва реакция на дисмутация между две молекули фосфоглицеринов алдехид под действието на ензима алдехидна мутаза с участието на водна молекула . В този случай едната молекула фосфоглицеринов алдехид се редуцира до образуване на фосфоглицерол, докато другата се окислява до 3-фосфоглицеринова киселина. Фосфоглицеринът не участва в по-нататъшни реакции дори след разцепване фосфорна киселинае страничен продукт от алкохолната ферментация. 3-фосфоглицериновата киселина претърпява трансформация по пътя на ЕМП с образуването на ацеталдехид. След появата на ацеталдехид започва стационарен период на ферментация, в който окисляването на фосфоглицериновия алдехид до фосфоглицеринова киселина протича по по-сложен начин, с добавяне на неорганичен фосфат (EMF път). В тази връзка, заедно с етанола, по време на ферментацията винаги се образува определено количество глицерин.

При свързване на ацеталдехид с бисулфит, процесът на ферментация е насочен към образуването на глицерин:

C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CHO + CO 2 + CH 2 OH-CHOH-CH 2 OH.

В алкална среда молекулата на ацеталдехида влиза в редокс реакция с втората молекула, образувайки етанол и оцетна киселина. В същото време има натрупване на глицерин. Като цяло процесът се изразява със следното уравнение:

2C 6 H 12 O 6 + H 2 O ® ® 2CH 2 OH-CHOH-CH 2 OH + C 2 H 5 OH + CH 3 COOH + 2CO 2.

Тези техники се използват за промишленото производство на глицерин.

Висшите алкохоли се образуват от аминокиселини (в по-малка степен от кетокиселини), съдържащи се във ферментационната среда в резултат на последователни реакции на дезаминиране на аминокиселини, декарбоксилиране на образуваните кетокиселини и редукция на алдехиди.

От висшите алкохоли в кашата има: пропил (образуван от треонин), изобутил (от валин), амил (от изолевцин) и изоамил (от левцин).

В момента се извършва интензивно търсене на нетрадиционни микроорганизми, произвеждащи етанол, способни да ферментират широк спектър от субстрати с висока производителност на етанол и повишена устойчивост на етанол и високи температури. Интерес представляват етанол-синтезиращите бактерии. Например бактерии Zymomonas mobilisсе различават от дрождите по интензивен метаболизъм: те имат висока специфична скорост на превръщане на глюкозата в етанол, осигуряват по-висок добив на етанол (до 95% от теоретично възможния) и са по-толерантни към алкохола. Но тези бактерии са чувствителни към наличието на инхибитори (фурфурол, феноли) в хранителни среди и изискват асептична ферментация.

Термофилни бактерии Clostridium thermocellum(оптимална температура на растеж 68 ° C) са в състояние директно да трансформират целулозата на растителните суровини в етанол, но суровината трябва да бъде освободена от лигнин. Все още не е възможно да се постигне висок добив на алкохол с директно преобразуване на растителните суровини.

Щамове дрожди, способни да ферментират пентозни захари ( Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehata). Добивът на етанол при ферментацията на 100 кг ксилоза достига 35-47 литра.

В домашната практика на производство на етанол от суровини, съдържащи нишесте, се използват дрожди Saccharomyces cerevisiaeкато има оптимална температураферментация 29-30°C.

Ензимно озахаряване на нишесте

Традиционните производители на етанол не са в състояние да разделят полизахариди, следователно при получаване на пивна мъст суровините, съдържащи нишесте, подлежат на смилане и озахаряване. Нишестето на повечето растения съдържа 20-25% амилоза и 80-75% амилопектин. В растителните клетки нишестето е под формата на зърна (гранули), чийто размер варира от 1 до 120 микрона (картофено нишесте има гранули от 40-50 микрона, зърно нишесте - 10-15 микрона). Нишестето, амилозата и амилопектинът са неразтворими в студена вода, алкохол, етер. Амилозата се разтваря лесно в топла вода, амилопектин - при нагряване под налягане. Мрежовата структура на молекулите на амилопектин причинява подуване на нишестените гранули без тяхното разтваряне (вторичните връзки се отслабват от хидратацията). При определена температура гранулите се разхлабват, връзките между отделните структурни елементи се нарушават, целостта на гранулите се нарушава. В същото време вискозитетът на разтвора рязко се увеличава - настъпва желатинизиране на нишестето. За пастата е характерно неправилно подреждане на молекулите, загуба на кристална структура. При температура 120–130 ° C пастата става лесно подвижна. Най-пълното разтваряне на амилопектин настъпва в пшенично нишесте при 136–141 ° С, в картофено нишесте - при 132 ° С.

Нишестето, разтворено при варенето на зърно или картофи, се хидролизира (захаризира) с амилолитични ензими на зърнен малц или култури от микроорганизми, предимно нишковидни гъби и бактерии. От растителните материали най-разпространените амилолитични ензими са покълналите зърнени култури, наречени малц. Понастоящем в алкохолната индустрия се използват ензимни препарати на базата на култури от нишковидни гъби (или бактерии от рода бацил), които имат редица предимства пред малца. Културите с нишковидни гъби се отглеждат върху пшенични трици или царевично брашно, докато за производството на малц е необходимо условно зърно. С малца чужди микроорганизми се въвеждат в пивната мъст в големи количества, което се отразява негативно на добива на етанол. Дълбоко засадените гъбни култури се отглеждат при стерилни условия; те не замърсяват пивната мъст с чужди микроорганизми. Култивирането на повърхностна култура от гъби се извършва много по-бързо (1,5-2,0 дни), отколкото покълването на зърното (9-10 дни). Гъбите образуват комплекс от ензими, които хидролизират нишестето по-дълбоко, а също така разграждат хемицелулозите до монозахариди, което увеличава добива на етанол от суровини.

В процеса на озахаряване на суровини, съдържащи нишесте, участват различни ензими. Най-великия производствена стойностимат амилази. α- и β-амилазите катализират разцепването само на α-1,4-глюкозидни връзки. Под действието на α-амилазите връзките се разкъсват произволно, но главно във веригите. В резултат на това се образуват главно декстрини, а не голям броймалтоза и олигозахариди. Въз основа на естеството на действието α-амилазата се нарича ендогенна или декстриногенна амилаза.

Действието на β-амилазата е насочено към крайните (външни) връзки в нишестето, като последователно, започвайки от нередуциращите краища на веригите, се отцепват два глюкозни остатъка (малтоза). β-амилазата не може да заобиколи местата на разклонение в макромолекулата на нишестето, поради което хидролизата спира при предпоследната α-1,4-глюкозидна връзка и декстрините с високо молекулно тегло остават по време на хидролизата на амилопектин. Амилозата почти напълно се превръща от β-амилаза в малтоза, амилопектин - само с 50-55%.

В резултат на комбинираното действие на α- и β-амилазите се образува смес от захариди, състояща се от малтоза, малко количество глюкоза и нискомолекулни декстрини, в която всички α-1,6-глюкозидни връзки на нишестето са концентрирани.

Бактериите и микроскопичните гъби нямат β-амилаза, но съдържат активна α-амилаза, която се различава по състава на аминокиселините в протеина и специфичността на действие. По-специално, когато микроскопични гъбички се катализират от α-амилаза, се образуват големи количества глюкоза и малтоза. Сред бактериалните амилази има както захарни, така и декстриногенни амилази. Първите хидролизират нишестето с 60% или повече, а вторите с 30-40%. Микробните α-амилази, като малцовите α- и β-амилази, не атакуват α-1,6-глюкозидните връзки.

Микроскопичните гъби съдържат глюкоамилаза, която катализира разрушаването на α-1,4- и α-1,6-глюкозидни връзки в нишестето. Когато се катализира от този ензим, глюкозните остатъци се отцепват последователно от нередуциращите краища на амилозата и амилопектина. Водна молекула се присъединява на мястото на разкъсване на връзката, поради което теоретичният добив на глюкоза в процеса на хидролиза е 111,11% от теглото на нишестето.

Има три вероятни начинивзаимодействието на ензима със субстрата (съдържащ голям брой вериги): многоверижни, едноверижни и комбинирани.

При многоверижен метод ензимната молекула атакува произволно една от полизахаридните вериги, отделяйки връзка от нея, а след това атакува произволно и следващите вериги, включително, вероятно, атакуваната по-рано. Така по време на живота на комплекса ензим-субстрат се случва само един каталитичен акт.

При едноверижния метод ензимната молекула, атакувайки в произволен ред една от полизахаридните вериги, последователно отцепва връзките от нея, докато веригата се разцепи напълно. По време на съществуването на комплекса ензим-субстрат всички налични връзки за ензима се хидролизират.

Комбинираният метод или методът на множествена атака се състои във факта, че няколко връзки се хидролизират по време на съществуването на комплекса ензим-субстрат. В този случай, след разцепването на една връзка, ензимът не се отблъсква, а се забавя. Атаката се извършва с редуващи се единични и многоверижни методи.

Проучванията показват, че α- и β-амилазите извършват хидролиза по метода на множествена атака (многоверижният метод е типичен за бактериалната α-амилаза).

В домашните дестилерии се използва суров (неизсушен) малц под формата на малцово мляко, ензимни препарати (глюкаваморин, амилоризин, амилосубтилин) с различни нива на активност или смес от малцово мляко и ензимен препарат за озахаряване на сурово нишесте.

Технологията за производство на малц включва следните основни процеси: накисване на суровини с влажност 38–40%; покълване на зърното за 10 дни в пневматична малцова къща в слой с дебелина 0,5–0,8 m; смилане на малц в дискови или чукови мелници; дезинфекция на малц с формалин или разтвор на белина и приготвяне на малцово мляко. Малцовото мляко се получава чрез смесване на натрошен малц с вода (4–5 литра вода на 1 кг малц).

Малцът, произведен от различни зърна, съдържа различни количества от всеки от амилолитичните ензими. Например, ечемичният малц има висока α- и β-амилолитична активност, докато просеният малц има силна декстринолитична активност. Най-често се приготвя смес от три вида малц: ечемичен (50%), просо (25%) и овес (25%). Не използвайте малц от същата култура, когато произвеждате алкохол от същата култура.

Етанол (етилов алкохол) C 2 H 5 OH е бистра, безцветна течност с горяща и характерна миризма с относителна плътност 0,79067. Точката на кипене на етанола при нормално налягане е 78,35 ° C, точката на възпламеняване е 12 ° C, а точката на замръзване е 117 ° C. Химически чистият етанол е неутрален; ректифицираният алкохол съдържа малко количество карбоксилни киселини, така че реакцията му е слабо кисела. Етанолът е много хигроскопичен; той алчно поема вода от въздуха, растителните и животинските тъкани, в резултат на което те се унищожават.

Алкохолът е отровен за хората и животните, както и за микроорганизмите. Алкохолните изпарения също са вредни. Максимално допустимата концентрация на пари във въздуха е 1000 mg / cm 3. Алкохолът е експлозивен. Границите на експлозивната концентрация на алкохолни пари са 2,8-13,7% от обема на въздуха. Етанолът се произвежда от хранителни суровини под формата на суров алкохол със сила най-малко 88 об.% и ректифициран алкохол с концентрация 96,0-96,5 об.% под формата на ректифициран алкохол от 1-ви клас, най-високо пречистване, "Екстра" и "Лукс", "Базис", "Алфа".

Производството на алкохол от нишестесъдържащи суровини се състои от следните основни технологични етапи: подготовка на суровините за преработка; термична обработка на вода (варене) на зърно и картофи; озахаряване на сварената маса; отглеждане на промишлени дрожди; ферментация на озахарена пивна мъст и отделяне на алкохола от кашата и нейното пречистване.

4.1. Подготовка на картофи и зърнени храни за преработка

Подготовката на картофи и зърно за преработка се състои в доставка на суровини до завода, отделяне на примесите, смилане и смесване.

Картофите от купището се докарват с автотранспорт до резервните кошчета, откъдето се подават за производство чрез хидравличен конвейер. Леките, грубите и тежките картофени примеси се разделят на a

капани за скрап и камъни. За измиване и отстраняване на останалите примеси се използват шайби за картофи.

Зърното, което отива за варене, се почиства на въздушно сито и магнитни сепаратори.

При периодичен метод на водно-термична обработка картофите и зърното се сваряват в целия им вид, при непрекъснати схеми, суровините се раздробяват предварително. Степента на смачкване влияе върху температурата и продължителността на готвене. При смилане на картофи на сито с диаметър на отвора 3 мм не трябва да има остатък, а при смилане на зърно остатъкът върху това сито не трябва да надвишава 0,1-0,3%. Проходът на смилане през сито с отвори с диаметър 1 mm трябва да бъде 60-90%.

Приготвянето на партидата се състои в смесване на натрошената суровина с вода и нагряване до определена температура. Към натрошеното зърно се добавя 280-300% вода, към картофената каша се добавя 15-20% вода от теглото на суровината. Концентрацията на сухо вещество в пивната мъст трябва да бъде 16-18%.

4.2. Водно-термична обработка на зърно и картофи

Основната задача на водно-термичната обработка е да се приготвят суровини за озахаряване на нишесте с амилолитични ензими на малца или ензимни препарати от микробен произход. Озахаряването най-пълно и бързо настъпва, когато нишестето е налично за тяхното действие (не е защитено от клетъчни стени), залепено и разтворено, което може да се постигне чрез термична обработка на цели суровини при повишено налягане или, както обикновено се нарича този процес в производство на алкохол, кипене; супер фино механично смилане на суровини на специални машини; механично смилане на суровините до определен размер на частиците, последвано от варене под налягане (комбиниран метод).

Целите суровини, съдържащи нишесте, в бройлера се обработват с наситена пара при свръхналягане до 0,5 MPa (температура 158,1 ° C). При тези условия нишестето се разтваря, клетъчните стени на суровината омекват и частично се разтварят и с последващото издухване на суровината в парния сепаратор (задържане) клетъчната структура се разрушава поради спадане на налягането, раздробяващо действие на решетката в кутията за издухване на бройлера, както и други механични въздействия по пътя на бързото движение на сварените маси от един апарат към друг. В процеса на готвене едновременно се извършва стерилизация на суровините, което е важно за процесите на озахаряване и ферментация.

При смилане на суровините до размер на частиците, по-малък от нишестените зърна, те се унищожават клетъчна структурасуровини и самите нишестени зърна, в резултат на което те се разтварят във вода с температура 60-80°C и се озахаряват от амилолитични ензими на малцови и микроорганични култури. Методът на ултрафино смилане все още не е използван поради високата консумация на електроенергия и липсата на проучване на въпроса за стерилизацията на суровините.

Широко разпространен е комбинираният метод, според който суровината първо се натрошава до средни частици (1-1,5 mm), а след това се вари. В този случай температурата и продължителността на готвене са по-малки, отколкото при топлинната обработка на цели суровини. Издухването на сварената маса от натрошени суровини с спад на налягането допринася за по-нататъшното й диспергиране. Този метод на топлинна обработка, съчетан с непрекъснатостта на процесите, се счита за най-прогресивен. С относително ниска консумация на електроенергия за смилане на суровини, топлина за готвене и поради "мекотата" на режима на готвене, който осигурява минимални загуби на ферментиращи вещества, методът ви позволява да подготвите добре суровината за озахаряване.

При варенето на картофи и зърнени храни настъпват значителни структурни и механични промени в суровините и химични трансформации на веществата, които съставляват неговия състав.

Вие сте в гората ... Дебели и тънки стволове на дърветата са претъпкани наоколо. За един химик всички те се състоят от един и същ материал - дърво, основната част от което е органична материя - влакна (C 6 H 10 O 5) x. Фибрите образуват стените на растителните клетки, тоест техния механичен скелет; имаме го съвсем чисто във влакната от памучна хартия и лен; в дърветата винаги се среща заедно с други вещества, най-често с лигнин, с почти същия химичен състав, но с различни свойства. Елементарна формулафибрите C 6 H 10 O 5 съвпадат с формулата на нишестето, захарта от цвекло има формула C 12 H 2 2O 11. Съотношението на броя на водородните атоми към броя на кислородните атоми в тези формули е същото като във водата: 2: 1. Следователно тези и подобни вещества през 1844 г. са наречени "въглехидрати", тоест вещества, като че ли (но не всъщност) състоящи се от въглерод и вода.

Въглехидратните фибри имат високо молекулно тегло. Неговите молекули са дълги вериги, съставени от отделни връзки. За разлика от белите нишестени зърна, влакното е здрава нишка и влакно. Това се дължи на различната, сега точно установена, структурна структура на молекулите на нишестето и влакната. Чистите фибри в технологията се наричат ​​целулоза.

През 1811 г. академик Кирхоф прави важно откритие. Той взе обикновено нишесте, получено от картофи, и въздейства върху него с разредена сярна киселина. Под влияние на H 2 SO 4, хидролизанишесте и се превърна в захар:

Тази реакция беше важна практическо значение... На него се основава производството на нишесте-патока.

Но фибрите имат същата емпирична формула като нишестето! Това означава, че от него може да се получи и захар.

Всъщност през 1819 г. за първи път е извършено и озахаряване на целулоза с помощта на разредена сярна киселина. За тези цели може да се използва и концентрирана киселина; Руският химик Фогел през 1822 г. получава захар от обикновена хартия, действащ върху него с 87% разтвор на H2SO4.

V края на XIX v. получаването на захар и алкохол от дърво вече е станало интересно за практическите инженери. В момента алкохолът се произвежда от целулоза в заводски мащаб. Методът, открит в епруветката на учения, се осъществява в големия стоманен апарат на инженера.

Ще посетим завод за хидролиза... Дървени стърготини, стърготини или дървени стърготини се зареждат в огромни реактори (перколатори). Това са отпадъци от дъскорезници или дървообработващи предприятия. Преди това тези ценни отпадъци бяха изгаряни или просто изхвърляни на депо. Слаб (0,2-0,6%) разтвор на минерална киселина (най-често сярна) преминава през перколаторите с непрекъснат ток. Невъзможно е да се задържи една и съща киселина в апарата за дълго време: съдържащата се в нея захар, получена от дърво, лесно се унищожава. В перколаторите налягането е 8-10 атм, а температурата е 170-185 °. При тези условия хидролизата на целулозата протича много по-добре, отколкото при нормални условия, когато процесът е много труден. От перколаторите се получава разтвор, съдържащ около 4% захар. Добивът на захарни вещества по време на хидролиза достига 85% от теоретично възможния (според уравнението на реакцията).

Ориз. осем. Илюстративна диаграмаполучаване на хидролизен алкохол от дърво.

За съветски съюзкато имаш безграничен гории постоянно развиваща се индустрията за синтетичен каучук, получаването на алкохол от дърво е от особен интерес. През 1934 г. XVII конгрес на КПСС (б) реши да развие по всякакъв възможен начин производството на алкохол от дървени стърготини и отпадъци хартиена промишленост... Първите съветски заводи за хидролиза и алкохол започват да работят редовно от 1938 г. През годините на втората и третата петилетка се изграждат и пускат в експлоатация фабрики за производство на хидролизен алкохол - алкохол от дърво. Този алкохол в момента е all in големи количествапреработени в синтетичен каучук. Това е алкохол от нехранителни суровини. Всеки милион литра хидролизиран етилов алкохол освобождава около 3 хиляди тона хляб или 10 хиляди тона картофи за хранене и следователно около 600 хектара засята площ. За получаване на това количество хидролизен алкохол са необходими 10 хиляди тона дървени стърготини с 45% влага, които могат да се получат от една дъскорезница със средна производителност годишно.

Прочети: II. Технология на пневмо-вакуумно формоване на пластмасови изделия. Алфа и бета агонисти. Основни ефекти, приложение. Аминокиселинен спектър на колагеновия хидролизат (теглов процент) Токсоиди, тяхното получаване, титруване и практическо приложение. Токсоиди. Получаване, пречистване, титруване, приложение. Антитоксични серуми. Получаване, пречистване, титруване, приложение. Усложнения по време на употреба и тяхното предотвратяване. Хардуерен и софтуерен комплект (APC) (виртуална инструментална технология). Билет номер 51 препарати от мъжки полови хормони. Механизъм на действие. приложение. наркотици. концепцията за анаболитиката Билет номер 51 препарати от мъжки полови хормони. Механизъм на действие Приложение. наркотици. концепцията за анаболитиката

Нишестето е основният резервен полизахарид в растенията и е най-важният въглехидратен компонент в диетата. Нишестето се съхранява в житни семена, грудки, коренища под формата на нишестени зърна, които в зависимост от вида на растението имат различна форма (сферична, яйцевидна, лещовидна или неправилна) и размер (1 до 150 микрона, средно 30). -50 микрона).

Нишестени зърна от различни растителни видове:

А - картофи; Б - пшеница; Б - овес; G - ориз; D - царевица; E - елда.

1 - просто нишестено зърно, 2 - сложно, 3 - полусложно.

Нишестето има сложна структура и се състои от два хомополизахарида: водоразтворима амилоза и неразтворим амилопектин. Съотношението им в нишестето може да се различава в зависимост от растението и вида на тъканта, от която е изолирано (амилоза 13-30%; амилопектин 70-85%).

Амилозата се състои от неразклонени (линейни) вериги, съдържащи 200-300 глюкозни остатъка, свързани с α (1 → 4) гликозидна връзка. Поради α-конфигурацията при C-1, веригите образуват спирала с диаметър 13 nm, в която има 6-8 глюкозни остатъка на оборот. Молекулното тегло е 50 000 Da.

Амилопектинът има разклонена структура, при която средно един от 20-25 глюкозни остатъка съдържа странична верига, прикрепена чрез α (1 → 6) гликозидна връзка. В този случай се образува дървовидна структура. Молекулното тегло е до 1-6 млн. Да.

Хидролизата на нишесте присъства в много хранителни технологии като един от необходимите процеси за осигуряване на качеството на крайния продукт. Например:

В хлебопекарната - процесът на приготвяне на тесто и печене на хляб;

В пивопроизводството - получаване на бирена мъст и сушене на малц;

При производството на квас;

При производството на алкохол - подготовка на суровини за ферментация;

При получаване на различни захарни нишестени продукти - глюкоза, меласа, захарни сиропи.

Има два метода за хидролиза на нишесте:

Киселинни - под въздействието на минерални киселини;

Ензимни - под въздействието на ензимни препарати.

По време на хидролизата на нишестето под действието на киселини първо се наблюдава отслабване и разрушаване на асоциативните връзки между макромолекулите на амилозата и амилопектина. Това е придружено от нарушение на структурата на нишестените зърна и образуването на хомогенна маса. Освен това има разкъсване на α (1 → 4) и α (1 → 6) -гликозидни връзки с добавяне на мястото на разкъсването на водната молекула. В хода на хидролизата броят на свободните алдехидни групи се увеличава и степента на полимеризация намалява. На междинни етапи се образуват декстрини, три и тетразахари, малтоза. Крайният продукт на хидролизата е глюкозата. Киселинната хидролиза има редица съществени недостатъци поради използването на високи концентрации на киселини и висока температура(над 100°C), което води до образуване на продукти на термично разграждане и дехидратация на въглехидратите, реакции на трансгликозилиране и реверсия.

В сравнение с киселинната хидролиза, ензимната хидролиза е по-обещаваща и има следните предимства:

1) Високо качествопроизведен продукт, т.к образуват се по-малко странични продукти;

2) Специфичността на действието на ензимите позволява да се получи продукт с определени физични свойства (например сладост);

3) Постигнат висок добив на продукта с по-ниски икономически разходи.

Ензимната хидролиза на нишестето се извършва с помощта на амилолитични ензими. Тази група включва α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза, пулуланаза и някои други ензими. Всеки от тях има свои специфични характеристики.

α-амилаза- ендоензим, който хидролизира α (1-4) -гликозидните връзки в молекулата на амилозата или амилопектина, което води до образуването на декстрини - продукти от непълна хидролиза на нишестето и малко количество глюкоза и малтоза:

α-амилазата е открита в животни (слюнка и панкреас), във висши растения (покълнали семена на ечемик, пшеница, ръж, просо) и в микроорганизми (гъбички от рода Aspergillus, Rhizopus, бактерии от рода Bacillus subtilis).

β-амилаза- екзоензим, хидролизира α (1-4) -гликозидните връзки от нередуциращите краища на молекулата на амилозата, амилопектин с образуване на малтоза (54-58%), т.е. проявява изразена захаризираща активност. Друг реакционен продукт е β-декстрин (42-46%). Този ензим се разпределя в тъканите на висшите растения.

Глюкоамилазае екзоензим, действащ от нередуциращите краища на молекулите на амилозата и амилопектина, отцепва молекулите на глюкозата чрез хидролизиране на α (1-4) - и α (1-6) -гликозидни връзки. Този ензим най-често се среща в микромицетите от рода Aspergillus, Rhizopus.

Механизмът на действие на различни видове амилази върху нишестето:

Технология на производство на нишесте.

Суровините за промишленото производство на нишесте са картофи, царевица, пшеница, ориз, сорго. Помислете за технологията за производство на картофено нишесте. Тя включва следните етапи:

Измиване на картофи от мръсотия и примеси в машина за измиване на картофи;

Претегляне;

Фино смилане на картофи на високоскоростни картофени машини за получаване на картофена каша (колкото повече се натрошава, толкова по-пълно ще се освободи нишестето от клетките, но е важно да не се повредят самите нишестени зърна);

Обработка на картофена каша със серен диоксид или сярна киселина (за подобряване на качеството на нишестето, неговата белота и предотвратяване развитието на микроорганизми);

Отделяне на каша с помощта на центрофуги или хидроциклонни системи;

Рафиниране на нишестеното мляко - пречистване на нишесте от каша на рафиниращо сито;

Измиване на нишесте в хидроциклон.

Резултатът е сурово нишесте със съдържание на влага 40-52%. Не подлежи на дългосрочно съхранение, за разлика от сухото получаване, което се състои от следните операции: механично отстраняване на излишната влага, сушене, пресоване и опаковане.

При производството на редица продукти е ефективно използването на модифицирани нишестета:

- Подуване (предварително желатинизирано) нишесте се получава чрез изсушаване на пастата върху специални сушилни, последвано от натрошаване на филма на прах, чиито частици набъбват при навлажняване с вода и увеличават обема си. Набъбващото нишесте се използва в Хранително-вкусовата промишленост(разтворими храни, стабилизатори и сгъстители в незатоплени храни).

- Окислен нишестето се получава чрез окисляване на нишестето с различни окислители (KMnO 4, KBrO 3 и др.). В зависимост от метода на окисляване, продуктите имат различен вискозитет и желиращи свойства. Използват се в хартиената промишленост за повишаване на силата на хартията като танин и при ниско ниво на окисление (до 2%) в хранително-вкусовата промишленост. Така че един от видовете окислено нишесте - желиране се използва като желиращ агент вместо агар и агароид при производството на мармаладени продукти.

- Заместени нишестета:

Монокарх фосфатите (монофосфатни естери на нишестето) се получават чрез реакция на суха смес от нишесте и киселинни соли на орто-, пиро- или триполифосфат при повишени температури. В сравнение с конвенционалното нишесте, те образуват стабилни пасти, характеризиращи се с повишена прозрачност и устойчивост на замръзване и размразяване.

Дихлорофосфатите (омрежени нишестета) могат да се получат чрез реакция на нишесте с натриев триметафосфат, фосфорен оксихлорид и др. Те образуват пасти, които са устойчиви на топлина и механично натоварване. Използват се в производството на майонеза, сладкарски изделия, дресинги за салати, месни продукти и др.

Ацетилирано нишесте (нишестен ацетат) може да се получи чрез третиране на нишестето с оцетна киселина или оцетен анхидрид. Те имат способността да образуват стабилни прозрачни пасти, които при изсушаване образуват силни филми. В хранително-вкусовата промишленост се използват като сгъстители, както и при производството на замразени храни, мигновени прахове и др.

Зърнените култури са основната суровина за производството на алкохол и дестилат. На първо място това са ечемик, овес, ориз, царевица, пшеница и др. Те се използват по няколко причини:

• Сравнително ниска цена
• Приятен органолептичен профил на получения продукт
• Висок добив на алкохол

Традиционната каша се приготвя от захар и мая. Маята е необходима за разграждането на захарта до образуване на алкохол. В зърното обаче няма захар като такава, но има много нишесте. За да се получи каша от зърното, нишестето трябва да бъде унищожено от ензими. Това са протеинови вещества, които правят възможни или ускоряват химична реакциянеобходими за образуването на алкохол. Ензимите се намират в покълнали зърна (малц) и се продават като препарати в чиста форма.

Следователно има три начина за приготвяне на зърнена каша:

1. Използвайте малц, за да озахарите нишестето в зърното. Така че можете да озахарите до 40% от зърнената маса на немалцовото зърно.
2. Покълнете зърното, така че ензимите да се натрупат естествено в него. Тоест да направи малц.
3. Използвайте ензима под формата на препарат и немалцирани суровини.

Вторият метод е по-евтин и ви позволява да получите резултата по-бързо.

Зърнена структура

За да разберете как точно се обработва зърното по време на пюриране, трябва да разберете неговата структура. Помислете за примера с ечемик.

Вътрешна структура на ечемиченото зърно

1-стъблен ембрион, 2-листов ембрион, 3-корен ембрион, 4-скутелум, 5-слой епител, 6-ендосперма, 7-празни изгубени клетки, 8-алевронов слой, 9-семенна обвивка, 10-плодна обвивка , 11 -мяка черупка

Ечемичено зърное кариопсис, чиято обвивка се състои от няколко клетъчни слоя.

Черупкисе комбинират в плява (или цвете) - външна обвивка, плод (или перикарп) и семе (или тесто).

Плявапри повечето ечемик расте заедно с кариопсиса. Обвивката на плявата е много здрава, тя е тази, която предпазва зърното механични повреди... Състои се основно от целулоза, малко съдържание на силициева киселина, липиди и полифенолни съединения.

Под плявата има натрупване плодова и семенна обвивка... Обвивката на семената е полупропусклива, пропуска добре водата, но задържа разтворените във вода вещества. Това свойство на семенната обвивка позволява зърното да се третира с вода с различни химикаликоито не проникват в зърното и не увреждат ембриона.

Ендосперм(брашнесто тяло), покрито с алейронов слой. Състои се от множество богати на протеини клетки. При покълналия ечемик алейроновият слой е мястото на производство на ензими.

Основните компоненти на клетъчните стени на алероновия слой са нескорбалните полизахариди - пентозани (70%) и β-глюкан (30%).

Брашнестото тяло (ендосперма) заема цялото интериорзърна, се състои от нишестени зърна различни размери... Нишестето представлява около 98% от сухото вещество на зърната.

Химичен състав

Средно ечемикът съдържа 10,5-11% протеинови вещества.

Ечемикът съдържа протеини:

1. алевронов слой - под формата на ензимен протеин (албумини и глобулини);
2. От външната страна на ендосперма има резервен протеин (проламини);
3. ендосперм - тъканен протеин (глутелини).

По своя аминокиселинен състав, ечемичните протеини са доста пълноценни (повече от 20 аминокиселини са включени в ечемичното зърно).

Въглехидратите са представени от моно- и полизахариди, главно нишесте, чието съдържание варира от 50 до 64%. Фибрите съдържат 5-6%, захари и декстрини до 6% (включително до 2% захароза и 0,4% директно редуциращи захари), мазнини - 2,1-2,6%, минерални вещества - 2,5–3,5%. Повечето отфибрите и минералите са концентрирани във филма и черупките на зърното.

Зърно в производството на алкохол: теория

Ечемичното зърно има висока активност на ензими (амилаза, протеаза и пероксидаза), поради което е добри нещаза приготвяне на малц.

Богат химичен съставпредопределя използването на зърнените култури като суровина за производство на алкохол. Тези вещества са хранителни компоненти за дрождите и следователно ферментацията в тази среда ще бъде много по-добра и крайният продукт ще има отличен вкус и аромат.

Основният източник на алкохол по време на ферментацията са въглехидратите. В зърното те са представени от нишесте. Дрождите превръщат само моноалкохол, дизахариди и някои декстрини в алкохол. Нишестето е полизахарид, съставен от амилоза и амилопектин. Дрождите обработват нишестето само ако молекулата се разгради до прости въглехидрати (моно и дизахариди). Именно за този процес са необходими ензими.

Температура на желатинизиране на нишестето - температурата, при която настъпва набъбване и разрушаване на структурата на нишестените зърна, този процес позволява на ензимите да озахарят нишестето напълно.

Съответно, ако температурата на желатинизация е по-висока работна температураензим, след това първо се извършва отвара (загряване на кашата до 90-100 градуса) за набъбване и разрушаване на структурата на нишестените зърна, след което те се охлаждат до работната температура и се въвежда ензимът.

Какво е ензим

Ензимите са биологични катализатори от протеинова природа, които могат да активират различни химични реакции в живия организъм.

Просто казано, това са протеинови молекули, които ускоряват химичните реакции, когато са поставени при подходящи условия (температура и pH). Тези условия са индивидуални за всеки ензим.

По спецификата на въздействиетоензимните препарати за различни високомолекулни полимери на зърното могат да бъдат разделени на 3 групи.

1. Амилолитично действие - насърчава хидролизата на нишестето. Те включват ензими, които имат разреждащ, декстриниращ и озахаряващ ефект.
2. Протеолитично действие – разрушават (хидролизират) протеиновите молекули.
3. Целулолитично действие - хидролизира полизахаридите, които не са нишестени, като целулозата.

По произход

1. Самороден произход – образува се в зърното при поникване;
2. Микробен произход – получава се с помощта на плесени;
3. Бактериален произход - култивиран от бактерии

Също така ензимите се делят на течни и сухи.

Ако се използват микробни и бактериални ензими, няма нужда от малциране на зърното. Освен това тези ензими имат по-широк температурен диапазон на действие от естествените.

Има два начина за обработка на културите за разграждане на нишестето до захари:

1. Пасиране с помощта на естествени ензими, съдържащи се в покълналото зърно. Този процес е класическа технология за претоварване. Но това е доста трудоемко, включително покълването на зърното, прекомерното излагане на температурните граници по време на пюриране, а покълналото зърно е с порядък по-висока цена за обикновеното зърно.
2. Пасиране с бактериално извлечени ензими. Този метод е прогресивен и набира все по-голяма популярност. Основното му предимство е относителната евтиност и лекота на използване. Бактериалните ензими позволяват използването на непокълнали зърна, което намалява крайната цена Завършени продуктии освен това спестява време и усилия. Също така, бактериалните ензими имат по-широк температурен диапазон на действие, което дава възможност да се разшири обхватът на тяхното приложение в технологичния процес.

Ензими в магазини "Доктор Губер"

За обработка на зърно у дома са необходими преди всичко амилолитични ензими. Тук те са представени от следните ензими:

1. Амилосубтилинът е ензимен препарат на мезофилна бактериална а-амилаза. Той хидролизира вътрешните α-1,4-гликозидни връзки на нишестето (амилоза и амилопектин) и продуктите от тяхното последователно разцепване, което води до бързо намаляване на вискозитета на желатинизираните нишестени разтвори на етапа на втечняване, като по този начин осигурява подготовката от пивната мъст за действието на глюкоамилазата. Активността е 1500 единици Ac/g. Температурен оптимум на действие 30-60°С
2. Глюкаваморин се получава чрез култивиране под вода на щам на плесен Aspergillus awamori. Хидролизира α-1,4 и алфа-1,6-гликозидните връзки на нишестето, декстрините, олигозахаридите, като последователно отцепва глюкозата от нередуциращите краища на веригата. Използва се за озахаряване на нишесте. Активността е 1500 единици Gs/g. Температурен оптимум на действие 30-60°С

Препаратите се предлагат в суха форма в опаковка от 20 грама.

Тези ензими ще са достатъчни за работа с непокълнали зърна.

Ензими в производството на алкохол: практика

На първо място се подготвя воден разтвор... За да направите това, сухият препарат се разтваря с вода в съотношение 1:10, температурата на водата е 25-30 градуса и се разбърква старателно, в това състояние препаратът се съхранява за не повече от 24 часа. Следващото се изчислява необходимата сумаензим.

Ензимната активност се изразява в единици / g. вещества.

• Амилосубтилин - 2-4 единици. на грам нишесте.
• Глюкаваморин - 2-4 единици. на грам нишесте.

Пример за изчисление:

При пасиране в апарат с обем 60 литра при хидромодул 1: 3 използваме около 15 кг зърно (да приемем, че зърното в този случай е пшеница).

Пшеничното зърно съдържа средно 55 до 65% нишесте (таблични данни). Да вземем средно 60%.

Това означава, че 15 кг зърно съдържа: 15 * 0,6 = 9 кг нишесте.

Дадени са дозировката на ензимите и тяхната активност на грам нишесте:

• 1 грам Amilosubtilin съдържа 1500 единици Gs, доза 2-4 единици. (средно 3)
• 1 грам Glucavamorin съдържа 1500 As единици, доза 2-4 единици (средно 3)

За 9000 грама нишесте се нуждаем от:

• 9000 * 3 = 27 000 AS единици за намаляване на вискозитета
• 9000 * 3 = 27 000 единици Gs за озахаряване на нишесте

Което съвпада:

• 27000/1500 = 18 грама амилосубтилин
• 27000/1500 = 18 грама глюкаваморин

1 саше от 20 грама е достатъчно за озахаряване на 15 кг пшеница.

Направени са изчисления за пюриране при T = 60°C. При температури под 60 ° C е желателно да се увеличи дозата на ензима с 20-30%.

След изчисление и приготвяне на препарата, той се въвежда заедно с натрошеното зърно във вода и се прави пасиране.