Ферментативный гидролз крахмала

Цель ферментативного гидролиза крахмала – получение сусла. Разваренную массу зерна или картофеля осахаривают (гидролизуют) ферментами солода или культур плесневых грибов. Получаемый в результате этого продукт (сусло) в литературе прошлых лет называли «сладкий затор», «осахаренная масса». Термин «затор» сохранился с того давнего времени, когда на спирт перерабатывали муку, которую «затирали» – смешивали с водой и солодом при определенной температуре.

В основе механизма действия всех ферментов лежит образование неустойчивых промежуточных соединений – комплексов из реагирующих молекул субстрата и активных центров ферментов. При этом в реагирующих молекулах происходит деформация, обеспечивающая вступление их в реакцию. После реакции фермент и химически измененный субстрат отталкиваются один от другого и фермент может реагировать с новой молекулой субстрата.

Выше было рассмотрено действие α- и β-амилаз, декстриназы и глюкоамилазы на те или иные глюкозидные связи в одной цепи макромолекул амилозы и амилопектина, но осталось неясным, как происходит оно в присутствии большого количества цепей. Известно три вероятных способа взаимодействия фермента с субстратом.

По многоцепочечному способу молекула фермента в случайном порядке атакует одну из полисахаридных цепей, отщепляет от нее звено (мономер или димер) и затем также в случайном порядке атакует следующие цепи, в том числе, возможно, и атакованную ранее. Таким образом, за время существования фермент-субстратного комплекса происходит только один каталитический акт.

По одноцепочечному способу молекула фермента, атаковав в случайном порядке одну из полисахаридных цепей, последовательно отщепляет от нее звенья до тех пор, пока цепь полностью распадется. Лишь после этого фермент атакует следующие цепи. За время существования одного фермент-субстратного комплекса гидролизуются все доступные для фермента связи.

Комбинированный способ, или способ множественной атаки, заключается в том, что за время существования одного фермент-субстратного комплекса гидролизуется несколько связей. При этом после отщепления одного звена от цепи фермент не отталкивается, а задерживается. Атака происходит с чередованием одно- и многоцепочечного способов.

Исследования Д. Бейли и Д. Френча показали, что (β-амилаза осуществляет множественную атаку олиго- и полисахаридов, расщепляя за время существования одного фермент-субстратного комплекса четыре глюкозидные связи в амилозе, и образует четыре молекулы мальтозы.

По данным Д. Френча, α-амилаза Asp. oryzae и других плесневых грибов осуществляет гидролиз также по способу множественной атаки и, следовательно, обладает некоторой упорядоченностью действия, что подтверждается существенным выходом олигомеров уже на первых стадиях амилолиза. Исследования К.М. Бендецкого и В.Л. Яровенко показали, что α-амилаза Вас. subtilis атакует амилозу по многоцепочечному способу, растворенный крахмал – по способу множественной атаки. По их данным, глюкоамилаза в зависимости от длины цепи расщепляет глюкозидные связи различными способами. Например, глюкоамилаза Asp. awamori подвергает амилозу множественной атаке, деполимеризованную амилозу – по способу, близкому к многоцепочечному с беспорядочной атакой цепей, декстрины – по многоцепочечному с преимущественной атакой длинных цепей.

В активный центр α- и β-амилаз и глюкоамнлазы входят амидазольная и карбоксильная группы. Такие функциональные группы, как фенольная, сульфгидрильная и дисульфидная, не принимают участия в катализе, но необходимы для поддержания третичной структуры отдельных амилаз.

Субстрат связывается с амилазами посредством содержащихся в нем гидроксильных групп. Имеются доказательства того, что в связывании с α-амилазой участвует гидроксил при С₃ глюкозного остатка, с β-амилазой — гидроксил при С нередуцирующего конца полисахаридной цепи. Гидроксил при С₄ нередуцирующе-го конца не является необходимым для образования фермент-субстратного комплекса, но его роль существенна в создании фермент-субстратного соответствия.

Атом кислорода обладает большим отрицательным индукционным эффектом, чем атом углерода, следовательно, ОН в α-1,4-глюкозидной связи будет иметь и большую плотность электронного облака по сравнению с атомом С. Снижение плотности электронного облака у последнего вызывается также индукционным воздействием атома кислорода глюкопиранозного кольца. Пунктирные и штриховые линии показывают соединение фермента с субстратом, ведущее к перераспределению электронной плотности в фермент-субстратном комплексе и исчезновению перекрытия электронных орбит между C и О.

Способы осахаривания

Осахаривание разваренной массы, как правило, осуществляют непрерывным способом и лишь на некоторых заводах малой мощности – периодическим.

Независимо от способа процесс осахаривания складывается из следующих операций:

– охлаждение разваренной массы до определенной температуры, которая после смешивания массы с солодовым молоком (микробной культурой) понизится до заданной для осахаривания;

– смешивание разваренной массы с солодовым молоком (микробной культурой);

– осахаривание крахмала;

– охлаждение сусла до температуры «складки» – начальной температуры брожения сусла;

– перекачивание сусла в бродильное и дрожжевое отделения завода.

Все эти операции, кроме перекачивания сусла, при периодическом процессе выполняются в одном аппарате, называемом заторным баком; при непрерывном процессе – или в отдельных аппаратах, установленных последовательно, или в одном аппарате (сочетается несколько операций).

Непрерывное осахаривание

Способы непрерывного осахаривания с момента их возникновения претерпели значительные изменения, но все их варианты до сих пор применяют на спиртовых заводах.

Одноступенчатое осахаривание

По этому способу охлаждение разваренной массы, смешивание с солодовым молоком (микробной культурой) и осахаривание ведут в одном аппарате – осахаривателе, а сусло охлаждают в теплообменнике.

Осахариватель представляет собой цилиндрический котел 12 со сферическим или коническим днищем, снабженный пропеллерной мешалкой 11, приводимой во вращение от электродвигателя 8 через редуктор 7. Частота вращения мешалки 120-270 об/мин. Сверху аппарат закрыт крышкой с вытяжной трубой (не показанной на рисунке) для удаления выделяющихся паров. Для организованного движения массы при перемешивании внутри установлен диффузор 10 с раструбом внизу. Вверху диффузор переходит в улиткообразный патрубок, через который масса выбрасывается в пространство между диффузором и корпусом аппарата. Масса охлаждается водой, подаваемой в змеевик 1, составленный из труб диаметром 50-70 мм, площадью около 2 м² на 1 м³ вместимости аппарата.

Разваренная масса поступает в аппарат по трубе 3, имеющей кран 4, солодовое молоко через штуцер 9, выводится сусло по трубе 13. Равномерное поступление разваренной массы и постоянство ее объема в аппарате обеспечиваются автоматически поплавковым регулятором уровня 6, соединенным рычагом 5 с краном подачи разваренной массы. Для контроля за температурой в гильзе 2 установлен манометрический дистанционный термометр.

Аппарат заполняют массой на 75-80% от общего его объема. Продолжительность пребывания сусла в аппарате 20-25 мин. Расход воды температурой 10-15°С – 0,8-1 м на 1 м сусла.

В начале производства в чистый и стерилизованный осахариватель подают часть солодового молока и воду для покрытия лопасти мешалки. Приводят во вращение мешалку и из паросепаратора спускают разваренную массу до полного покрытия змеевика. В змеевик направляют холодную воду, которая затем продолжает поступать непрерывно. При снижении температуры массы до 65ºС вводят солодовое молоко, что снижает температуру до 57-58ºС. Когда масса в аппарате аппарате осахарится, начинают непрерывную подачу разваренной массы, солодового молока и непрерывное выведение сусла из аппарата.

Поступление солодового молока из расходного сборника регулируется дозатором, работающим синхронно с плунжером насоса, откачивающего сусло. Температура осахаривания поддерживается автоматически регулирующим клапаном на линии подачи воды в змеевик: 57-58°С при использовании солода, поверхностной культуры плесневых грибов, а также смеси солода и поверхностной культуры, 55-56°С при применении глубинной культуры плесневых грибов.

Сусло из осахаривателя указанным выше плунжерным насосом перекачивают через теплообменник в бродильный бак. В теплообменнике типа «труба в трубе» сусло движется по внутренней трубе сверху вниз, вода – по кольцевому каналу между внутренней и внешней трубами снизу вверх. Сусло охлаждается до температуры складки: 25-26°С при двухсуточном и непрерывном брожении, 18-20°С при трехсуточном. Температура охлаждающего сусла поддерживается автоматически, для чего у выхода его из теплообменника находится гильза для установки манометрического дистанционного термометра, связанного с исполнительным механизмом на трубе, подающей воду в теплообменник.

В зависимости от времени года (начальной температуры воды) охлаждение продолжается 5-6 мин зимой и 15 мин летом. Вследствие противоточного движения в теплообменнике сусла и воды последнюю можно нагреть до температуры 43-48ºС.

Двухступенчатое осахаривание

Это осахаривание отличается от предыдущего варианта тем, что процесс ведут последовательно в двух аппаратах с различным количеством солодового молока и при разных температурах.

Осахариватель первой ступени имеет такое же устройство, как и при одноступенчатом осахаривании. Осахариватель второй ступени выполнен в виде длинной трубы диаметром 100-150 мм, отдельные отрезки которой на концах соединены «калачами». В верхней части осахаривателя расположены воздушный кран (для удаления воздуха) и трехходовой кран для отъема части сусла на приготовление засевных дрожжей.

С помощью специального дозатора-делителя 30% солодового молока поступает в осахариватель первой ступени, 70% – в трубопровод перед насосом, перекачивающим сусло из осахаривателя первой ступени в осахариватель второй ступени. Температуру поддерживают в первом осахаривателе 60-61°С, во втором 57-58°С (температура снижается в связи с добавлением солодового молока). Продолжительность осахаривания соответственно 10 и 2-5 мин. В остальном двухступенчатое осахаривание идентично одноступенчатому.

Осахаривание с одноступенчатым вакуум-охлаждением

При этом способе разваренную массу до поступления в одноступенчатый осахариватель охлаждают до 62-63°С в вакуум-испарительной камере, затем в осахаривателе смешивают с солодовым молоком, в результате чего температура снижается до 57-58ºС.

В осахаривателе отсутствуют теплообменная поверхность и диффузор, пропеллерная мешалка расположена сбоку, а на крышке установлен фильтр для сообщения верхней части аппарата с атмосферой и предотвращения попадания в сусло микрофлоры.

Из паросепаратора 1 разваренная масса по трубе 2 поступает в испарительную камеру 3, в которой поддерживается разрежение 0,08 МПа. Вследствие самоиспарения воды температура почти мгновенно понижается до соответствующей этому разрежению и равной 62°С. Вакуум в камере создается в результате конденсации выделяющегося пара водой в конденсаторе 4. Смесь воды, конденсата и неконденсирующихся газов откачивается мокровоздушным насосом 5 типа РМК.

Охлажденная масса по барометрической трубке 6 стекает в осахариватель 7. Одновременно по трубе 8 в трубу 2 засасывается 10-15% сусла из осахаривателя, вследствие чего снижается вязкость массы, облегчается отделение пара и уменьшается унос с ним крахмала. После добавления к разжиженной массе солодового молока из расходных бачков 9 с помощью дозатора 10 температура ее снижается до 57-58°С и сохраняется на этом уровне все время. Продолжительность осахаривания – не менее 10 мин.

Уровень массы в осахаривателе поддерживается автоматичес­ки посредством поплавкового регулятора, связанного рычагом с заслонкой на продуктовой трубе. Солодовое молоко дозируется в зависимости от скорости откачивания сусла насосом 11 в теплообменник 12. Для задержания песка перед насосом установлена ловушка 13.

Схема непрерывного осахаривания с одноступенчатым вакуум-охлаждением разваренной массы.

Осахаривание с двухступенчатым вакуум-охлаждением

Сущность способа заключается в том, что не только разваренную массу перед осахариванием, но и сусло охлаждают до температуры брожения в результате создания вакуума в испарительных камерах первой и второй ступеней. Разрежение в испарительной камере второй ступени образуется пароэжекторным вакуум-насосом. При этом способе полностью исключаются громоздкие теплообменники и появляется возможность вторичного использования воды для охлаждения.

°Пар и разваренная масса поступает из паросепаратора 1 в испарительную камеру 3, в которой постоянно поддерживается разрежение 0,08 МПа при помощи барометрического конденсатора 2 и суховоздушного вакуум-насоса 4. Барометрическая вода сливается в сборник 12, а охлажденная масса температурой 62-63°С по барометрической трубе 9 направляется в осахариватель 13, снабженный мешалкой. Одновременно из расходных бачков 10 через дозатор 11 поступает солодовое молоко, и температура снижается до 57-58°С. Продолжительность осахаривания не менее 10 мин.

← Схема непрерывного осахаривания с двухступенчатым вакуум-охлаждением

Из осахаривателя сусло перетекает через ловушку 14 во вторую испарительную камеру 8, в которой поддерживается разрежение 0,098 МПа, создаваемое барометрическим конденсатором 7 и пароэжекторным вакуум-насосом 6. При этом сусло охлаждается до 20°С и стекает в сборник 75. Барометрическая вода собирается в сборник 18 и частично направляется насосом 7 на пароэжекторную установку, работающую с использованием пара, поступающего из коллектора 5. Конденсат с водой из пароэжекторной установки собирается в том же барометрическом сборнике. Охлажденное сусло из сборника 15 насосом 16 перекачивается в бродильное отделение. Сусло для приготовления дрожжей отбирают непосредственно из осахаривателя при температуре 57-58°С.

При температуре воды, охлаждающей конденсатор, около 10-12°С барометрическая вода из сборника 18 может быть использована также для охлаждения конденсатора 2.

Трехступенчатое вакуум-охлаждение сусла

С целью сокращения расхода воды на охлаждение сусла с 57-58 до 20°С вакуум-испарительную камеру и соответственно конденсатор разделяют на три части (секции) и устанавливают четыре пароэжекторных вакуум-насоса.

Установка работает следующим образом. Сусло из осахаривателя 4 через песколовушку 5 центробежным насосом 3 подают в верхнюю секцию вакуум-испарительной камеры 9.

Затем посредством боковых отводов с гидрозатворами оно стекает в среднюю и, наконец, в нижнюю секцию камеры, по барометрической трубе поступает в сборник 6, а из него насосом 7 направляется в бродильное отделение. Разрежение в вакуум-испарительной камере создается в результате конденсации паров, вьвделяющихся при самоиспарении воды в трехсекционном конденсаторе 10. Из верхней и средней секций конденсатора неконденсирующиеся газы откачивают головными соответственно 12 и 77 пароэжекторными вакуум-насосами, неконденсирующиеся газы из нижней секции через концевой конденсатор 13 пароэжекторным насосом 75. Нормальное давление на выходе пароэжекторного насоса 75 создается с помощью дополнительных конденсатора 14 и выхлопного пароэжекторного насоса 16.

Барометрическая вода из конденсаторов 10, 13 и 14 стекает в барометрический сборник 7 и откачивается насосом 2 Расход сусла и воды поддерживается с помощью клапанов 8.

Технологическая схема трехступенчатого вакуум-охлаждения

При вакуумном охлаждении разваренной массы вследствие его быстроты предотвращается ретроградация амилозы, затрудняющая осахаривание. В результате вакуумного охлаждения как разваренной массы, так и сусла концентрация сусла повышается примерно на 1% по сахарометру и содержание спирта в бражке на 0,5%, благодаря чему увеличивается съем спирта с единицы бродильной емкости на 5,8%. Кроме того, при этом охлаждении снижаются потери сбраживаемых углеводов в бражке в среднем на 0,3% и соответственно увеличивается выход спирта; уменьшается содержание метанола, фурфурола и других летучих примесей в сусле на 10-12%, что облегчает ректификацию и улучшает качество спирта; снижается обсемененность сусла посторонними микроорганизмами; расход осахаривающих материалов уменьшается на 10-15%, расход воды и электроэнергии на 30-35%; улучшаются условия труда.

Двухпоточное осахаривание

В.Л. Яровенко с сотрудниками предложено для непрерывно-проточного способа брожения проводить двухпоточное осахаривание. Сущность его заключается в том, что разваренную массу делят на два потока, в одном из них в осахаривателе гидролизуется 2/3 всего количества солодового молока (применяют культуры плесневых грибов), в другом – 1/3. Сусло из первого осахаривателя направляют в первый головной бак бродильной батареи, из второго – во второй головной бак батареи.

Непропорциональное распределение солодового молока между потоками сусла приводит к тому, что в первом головном баке при увеличенной дозе солодового молока в единицу времени накапливается большее количество моно- и дисахаридов и дрожжи размножаются и бродят интенсивнее, что положительно сказывается на процессе во всех баках бродильной батареи. При соединении первого и второго потоков сусла во втором головном баке батареи концентрация ферментов усредняется и становится равной той, которая получилась бы при добавлении всего количества солодового молока ко всему количеству разваренной массы.

Средняя константа скорости брожения, рассчитанная по уравнению первого порядка, возросла с 0,084 при однопоточном осахаривании до 0,118 ч~1 при двухпоточном осахаривании, т.е. приблизительно на 40%. Наряду со значительным сокращением продолжительности брожения в бражке уменьшилось содержание несброженных моно- и дисахаридов.

Периодическое осахаривание

Устройство заторного аппарата мало чем отличается от устройства осахаривателя первой ступени. Аппарат имеет чашеобразную форму, снабжен змеевиковой поверхностью охлаждения и мешалкой. На крышке аппарата расположены привод мешалки, вытяжная труба, штуцер для подачи солодового молока и колпак, под который подведена выдувная труба разваренной массы. В нижней части имеются штуцер для выпуска сусла и канализационный штуцер. Разваренная масса, ударяясь о колпак, разбрызгивается и равномерно распределяется по поверхности. Это исключает местные перегревы и инактивацию амилазы.

Мешалка – пропеллерная или эвольвентная (частота вращения 80-100 об/мин), сообщающая массе кроме кругового и поступательное движение снизу вверх. Вода подается в нижнюю часть змеевиков и выводится сверху. Направление движения воды противоположно направлению движения мешалки. На 1 м³ полезного объема аппарата приходится около 3 м² теплообменной поверхности змеевиков. Летом, когда температура воды выше, к заторному аппарату подключают выносной холодильник типа «труба в трубе», через который сусло прокачивается центробежным насосом.

Осахаривание ведут в следующем порядке. В заторный аппарат набирают 5% общего количества солодового молока и столько холодной воды, чтобы покрылись лопасти мешалки. Затем при работающей мешалке быстро выдувают массу из разварников. Когда температура выдуваемой массы достигнет 75-80ºС, пускают в змеевики воду, продолжая выдувание и охлаждение. По окончании выдувания массу охлаждают до 62-63°С, добавляют остальное количество солодового молока или грибной культуры, перемешивают 5 мин и в течение 15-20 мин осахаривают массу без перемешивания.

Сусло охлаждают до 30ºС, пропуская через змеевики воду, при работающей мешалке. При этой температуре в сусло, которое первым подается в бродильный бак, вводят все дрожжи (6-8% по заливаемому объему бродильного бака) и сусло с дрожжами охлаждают до температуры складки. С такой температурой сусло сливают в бродильный бак и в том случае, когда дрожжи не добавляют в заторный аппарат. Концентрация сусла, как и при непрерывном осахаривании, должна находиться в пределах 16-18% по сахарометру.