Биотехнология этанола с использованием ячменя и мультиэнзимной композиции: гидролиз биополимеров сырья, оптимизация и интенсификация технологических процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.07, кандидат наук Ковалева Татьяна Сергеевна

• Ковалева Татьяна Сергеевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Ковалева Татьяна Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ

МУЛЬТИЭНЗИМНОГО КОМПЛЕКСА

1.1 Характеристика сырья, применяемого при производстве этанола

1.1.1 Химический состав ячменя

1.1.2 Структура крахмала ячменя

1.1.3 Целлюлоза зерна ячменя

1.1.4 Гемицеллюлозы зерна ячменя

1.2 Характеристика ферментов, применяемых в спиртовом производстве для конверсии биополимеров зерна

1.2.1 Амилолитические ферменты

1.2.2 Протеолитические ферменты

1.2.3 Ксиланаза

1.2.4 Р-глюканаза

1.2.5 Фитазы

1.3 Характеристика дрожжей, применяемых в спиртовом

производстве

ГЛАВА 2 ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ОБЪЕКТЫ И

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Схема экспериментальных исследований

2.2 Характеристика объектов исследования

2.3 Методы исследования

2.3.1 Определение ксиланазной активности

2.3.2 Определение Р-глюканазной активности

2.3.3 Определение глюкоамилазной активности

2.3.4 Определение амилолитической активности

2.3.5 Определение протеолитической активности

2.3.6 Определение фитазной активности

2.3.7 Анализ спиртовых дрожжей

2.3.8 Определение крахмалистости методом Эверса

2.3.9 Определение Р-глюкана в зерне

2.3.10 Определение пентозанов

2.3.11 Определение влажности

2.3.12 Приготовление и анализ замеса, сусла и бражки

2.3.13 Определение вязкости ячменных замесов

2.3.14 Определение содержания аминного азота в сусле

2.3.15 Определение содержания редуцирующих сахаров

2.3.16 Определение содержания глюкозы

2.3.17 Определение содержания растворимых несброженных углеводов и нерастворенного крахмала в бражке

2.3.18 Определение титруемой кислотности

2.3.19 Определение содержания спирта в бражке

2.3.20 Газохроматографический метод определения содержания летучих органических примесей в бражке

2.3.21 Математическая обработка экспериментальных данных

ГЛАВА 3 ПРИМЕНЕНИЕ МУЛЬТИЭНЗИМНОЙ КОМПОЗИЦИИ (МЭК) НА СТАДИИ ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ (ВТО)

ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ПРОБЛЕМНОГО СЫРЬЯ

3.1 Изучение реологических характеристик зерновых замесов

3.2 Изменение вязкости ячменного замеса на стадии водно-тепловой подготовки

3.3 Изменение массовой доли сухих и редуцирующих веществ в замесе на стадии водно-тепловой подготовки

3.4 Оптимизация процесса водно-тепловой обработки сырья

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУЛЬТИЭНЗИМНОЙ КОМПОЗИЦИИ (МЭК) НА ПРОЦЕСС ОСАХАРИВАНИЯ

РАЗВАРЕННОЙ МАССЫ

4.1 Изучение влияния МЭК на процесс осахаривания

4.1.1 Изучение влияния основных технологических факторов на процесс осахаривания

4.1.2 Кинетика гидролиза крахмала

4.1.3 Оптимизация процесса осахаривания

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУЛЬТИЭНЗИМНОЙ КОМПОЗИЦИИ (МЭК) НА ПРОЦЕССЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ И БРОЖЕНИЯ

5.1 Исследование влияния сбалансированного состава сусла на процесс биосинтеза спиртовых дрожжей

5.1.1 Изучение влияния аминного азота на процесс биосинтеза спиртовых дрожжей

5.1.2 Изучение влияния неорганического азота на процесс биосинтеза спиртовых дрожжей

5.1.3 Изучение влияния ионов фосфора на процесс биосинтеза спиртовых дрожжей

5.1.4 Изучение влияния комплекса ферментов на физиологические свойства спиртовых дрожжей в процессе культивирования

5.2 Изучение влияния МЭК на процесс брожения ячменного сусла

5.2.1 Кинетика процесса брожения

5.2.2 Показатели зрелой бражки

5.2.3 Накопление примесей в зрелой бражке

5.2.4 Изучение влияния рН сусла на накопление побочных

продуктов брожения в бражке

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Блок-схема производства этилового спирта

Приложение Б Расчет продуктов спиртового производства

Приложение В Экономический расчет эффективности внедрения предлагаемой технологии для спиртзавода производительностью

дал а. а. в сутки

Приложение Г Акт производственных испытаний биотехнологии этанола из ячменя на основе применения мультиэнзимного комплекса

Приложение Д Интеллектуальная собственность

Приложение Е Дипломы, сертификаты, благодарности, грамоты

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биотехнология этанола с использованием ячменя и мультиэнзимной композиции: гидролиз биополимеров сырья, оптимизация и интенсификация технологических процессов»

Актуальность темы исследования.

На сегодняшний день производство зерновых культур в России резко увеличилось, возрос экспорт зерновых и зернобобовых культур из РФ. За год поставки выросли на 26,1 %. [148]

При этом в 2018 году, по отношению к 2017 году, выросли объемы экспорта пшеницы. Наибольшую долю в экспорте зерновых и зернобобовых культур из России занимает пшеница (78,3 % в общем объеме экспорта зерновых и зернобобовых культур из РФ). В связи с этим в России наблюдается дефицит пшеницы, стоимость пшеничного зерна резко возрастает, приравниваясь к стоимости кукурузы, вследствие чего становится актуальным применение зерна ячменя, стоимость которого ниже, в производстве этилового спирта в России. В пивоварении к зерну ячменя предъявляется ряд определенных требований, чего в спиртовом производстве не наблюдается. Однако ячмень относится к проблемным видам сырья, что связано с высоким содержанием гемицеллюлоз, которые увеличивают вязкость развариваемой массы, потерю сбраживаемых углеводов на стадии водно-тепловой обработки сырья.

В настоящее время зерновое сырье перерабатывается под действием высоких температур, что сопровождается большими теплоэнергозатратами дтя заводов. В последние годы из-за постоянного увеличения цен на теплоэнергоносители эти показатели в структуре себестоимости спирта

Высокое содержание гемицеллюлоз в сырье требует снижения концентрации сусла до 14,5 - 16,5 % СВ, что увеличивает себестоимость готового продукта. Опыт показывает, что переработка концентрированных ячменных замесов невозможна без применения ферментных препаратов, расщепляющих гемицеллюлозную фракцию зерна ячменя.

Перспективным направлением в совершенствовании технологии спирта из ячменя является применение механико-ферментативной обработки

сырья с использованием высокоэффективных ферментных препаратов, действующих на различные биополимеры зерна.

В связи с этой актуальной проблемой предлагается усовершенствованная технология получения этанола, целью которой является сокращение расхода теплоэнергоресурсов, увеличение производительности технологического оборудования и выхода спирта.

Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований и экспериментальных разработок приоритетного направления развития НОЦ «Живые системы» ФГБОУ ВО «ВГУИТ» «Живые системы в технологиях переработки сельскохозяйственного сырья и обеспечение здорового питания»; плана госбюджетной инициативной научно-исследовательской работы кафедры «Технология бродильных и сахаристых производств» по теме «Совершенствование технологических процессов бродильных и сахаристых производств с использованием физико-химических, ресурсосберегающих. биохимических методов воздействия и

Степень разработанности темы.

Исследованиям в области биотехнологии этанола, культивировании спиртовых дрожжей посвящены научные работы Б.А. Устинникова, С.В. Вострикова, В.А. Полякова, Л.В. Римаревой, Т.В. Мелединой, Л.Н. Крикуновой, Н.В. Шелеховой, А.И. Коновалова, С.Е. Харина, А.Л. Малченко, D.J. Manners, C.W.Bamforth, S.R. Couto, M.A. Sanroman.

Однако воздействие ферментов гемицеллюлазы на различные биополимеры зерна изучено недостаточно и поэтому требует дальнейшего и детального рассмотрения.

Цель диссертационной работы: научное обоснование и совершенствование биотехнологии этанола из ячменя путем применения мультиэнзимной композиции на стадии водно-тепловой обработки сырья.

В соответствии с поставленной целью решались задачи:

- обосновать выбор ферментных препаратов и спроектировать мультиэнзимную композицию для гидролиза биополимеров ячменного сырья;

- оптимизировать условия водно-тепловой обработки ячменного замеса при использовании разработанного мультиэнзимного комплекса;

- исследовать влияние ферментного комплекса на содержание глюкозы в процессе деструкции полисахаридов зернового сырья;

- обосновать условия культивирования спиртовых дрожжей при ферментативной обработке белковой и фитиновой комбинаций зернового сырья;

- изучить влияние мультиэнзимного комплекса на процесс спиртового брожения ячменного сусла;

- усовершенствовать биотехнологию этанола из ячменя с использованием комплекса ферментов, выявить преимущества предлагаемых технических решений, провести апробацию в опытно-производственных условиях.

Научная новизна.

Предложены эффективные ферментные препараты для гидролиза биополимеров ячменного сырья.

Установлены закономерности деструкции биополимеров ячменя под действием новой мультиэнзимной композиции, спроектированной на основе выбранных ферментных препаратов.

Обоснованы условия, параметры и режимы биотехнологии этанола с максимальным выходом конечного продукта при минимальном содержании примесей.

Изучено влияние протеазы и фитазы на процесс культивирования спиртовых дрожжей.

Теоретическая и практическая значимость.

Усовершенствованная биотехнология этанола из ячменя апробирована в опытно-производственных условиях ООО «Аннинский спиртзавод»

(Воронежская область, 2018 г.), подтвердившая реальные возможности внедрения предложенных технологических и технических решений (акт испытаний), новизна технических решений подтверждена патентом РФ «Способ получения этилового спирта» № 2653432 от 08 мая 2018 г.

Основные финансово-экономические показатели выполненных разработок доказывают экономическую целесообразность внедрения разработанных технологических и технических разработок в производство: расчетный экономический эффект от реализации предлагаемых технических и технологических решений составляет 12774,7 тыс. рублей в год для завода производительностью 3000 дал. а. а. (абсолютного алкоголя) в сутки.

Даны рекомендации по снижению дозировки а-амилазы и глюкоамилазы при использовании мультиэнзимного комплекса на стадии водно-тепловой обработки, что позволило увеличить содержание глюкозы в сусле на 40,5 % по сравнению с контролем, повысить выход спирта на 1,5 дал/т усл. крахмала, сократить продолжительность процесса брожения до 48-50 ч и уменьшить общее содержание примесей в зрелой бражке на 12 %. Результаты экспериментальных исследований используются в образовательном процессе для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 19.03.02, 19.04.02 «Продукты питания из растительного сырья» (дисциплины «Технология отрасли», «Биотехнология бродильных производств», «Интенсификация технологических процессов бродильных производств»), 19.03.01, 19.04.01 «Биотехнология» (дисциплина «Теоретические основы биотехнологии»).

Методы исследования.

Методология базируется на основе обобщения известных принципов естественнонаучных знаний и опыта современного производства этанола с использованием ферментов.

В работе применяли современные и инструментальные, в том числе химические, органолептические, биохимические, микробиологические методы исследования сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Экспериментальные результаты статистически обработаны ПО MAPLE на основании серии опытов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- состав и свойства мультиэнзимной композиции для обработки ячменного сырья на стадиях производства процесса;

- физиолого-биохимические особенности дрожжей при культивировании на питательных средах после ферментативной обработки;

- параметры, режимы условия и преимущества предложенной мультиферментной технологии производства этанола из ячменя.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационное исследование соответствует п. п. 2, 3, 4 паспорта специальности 05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ».

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов работы подтверждена сравнительной оценкой информационно-патентных и собственных результатов; применением современных объективных методов анализа, математической обработкой результатов исследования. Основные положения диссертационной работы опубликованы в научных изданиях, доложены и обсуждены на ежегодных научных сессиях в ФГБОУ ВО «ВГУИТ», на конференциях различного уровня и выставках: «Инновационные решения при производстве продуктов питания из растительного сырья» (Воронеж, 2014, 2016, 2017); «Производство и переработка сельскохозяйственной продукции: менеджмент качества и безопасности» (Воронеж, 2015, 2016); «Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение» (Воронеж, 2015); «Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство» (Воронеж, 2016); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, посвященная 120-летию со дня рождения С. Е. Харина «Физическая и коллоидная химия - основа новых технологий и современных

методов анализа в химической и пищевой отраслях промышленности» (Воронеж, 2016); «Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона» (конкурс проектов по программе «У.М.Н.И.К.») (Воронеж, 2016); «Инновационные технологии сельского хозяйства, пищевого производства и продовольственного машиностроения» (Воронеж, 2017); «Topical areas of fundamental and applied research XII: Proceedings of the Conference» (North Charleston, SC, USA, 2017); «Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение в рамках Евразийской технологической платформы «Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК -продукты здорового питания» (Воронеж, 2017, 2018); «Перспективы и проблемы инновационного развития социально-экономических систем» (Воронеж, 2018); «Актуальные проблемы в современной науке и пути их решения» (Москва, 2018); «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений» (Воронеж, 2018, 2019).

За научные исследования в области совершенствования предложенной технологии постановлением правительства Воронежской области от 20.12.2018 г. № 1147 присуждена премия правительства Воронежской области в области науки и образования и присвоено звание «Лауреат премии правительства Воронежской области среди молодых ученых».

Публикации.

По результатам исследований опубликованы 39 научных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК Министерства науки и высшего образования РФ, 25 статей в изданиях РИНЦ, получен патент РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по основным результатам работы, списка используемых источников из 148 наименований, в том числе 70 на иностранных языках, приложений,

представлена на 155 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 49 рисунков.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в анализе информации по изучаемой проблеме, выборе направления исследований, постановке и выполнении основной части экспериментов, исследовании реологических характеристик зерновых замесов, оптимизации процесса осахаривания. Автором предложена эффективная мультиэнзимная композиция для производства этанола из ячменя, исследовано влияние комплекса ферментов на физиологические свойства спиртовых дрожжей в процессе культивирования и на процесс брожения ячменного сусла, проведена промышленная апробация предлагаемых технических и технологических решений.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ МУЛЬТИЭНЗИМНОГО КОМПЛЕКСА 1.1 Характеристика сырья, применяемого при производстве этанола

Сегодня ячмень в России является одним из наиболее широко используемых видов зернового сырья в технологии производства этанола. Ячмень хорошо приспособлен к различным почвенно-климатическим условиям, способен произрастать в засушливых условиях, поэтому ячмень много лет занимает ведущее место в России по засевным площадям и широко используется в производстве этилового спирта [39].

Использование всех высокомолекулярных полимеров зернового сырья для повышения выхода спирта является перспективным направлением биотехнологии [61].

Однако ячмень является проблемным сырьем, что связано с ухудшением реологических свойств разваренной массы. Обычно в процессе производства принято смешивать проблемное сырье с пшеницей в различных пропорциях или поддерживать низкую концентрацию сусла (13,5-14,5 %) во избежание повышения вязкости массы и ее прилипания к стенкам технологического и коммуникационного оборудования. Более перспективным является применение различных цитолитических ферментных препаратов [44].

1.1.1 Химический состав ячменя

Плоды ячменя представляют собой зерновку, пленчатую (с пленкой, прикрепленной к оболочке плода) или голую, вытянутой, ромбической или продолговатой формы. Зерновка довольно крупная, длина достигает более 10 мм, ширина и толщина - 4 мм. Масса 1000 зерен варьируется от 20 до 65 г. (чаще всего от 30 до 45 г.). С брюшной стороны зерновки пролегает канавка, в нижней части которой находится т.н. основная щетинка, которая является одной из характеристик зерна при опущении.

Поверхность зерновки ребристая, цветочные пленки окрашены в соломенно-желтый и реже в черный цвет. Цветочные пленки представляют собой крупные, толстостенные ячейки с толстыми стенками и составляют 817% (чаще всего 9-12 %) от массы зерна. Пленки приклеиваются к поверхности зерна и требуют значительных усилий для их отделения.

Химический состав ячменя представлен органическими и неорганическими веществами. Первая группа является крупнейшей и самой важной (углеводы, белки, жиры, полифенолы, органические кислоты, витамины и др). По сути, эти соединения имеют высокую молекулярно-массовую структуру, т.е. являются природными полимерами. Неорганические вещества в ячмене - это более десятка элементов (фосфор, сера, кремний, калий, натрий, магний, кальций, железо, хлор и др.), структурно связанных с органическими соединениями [40]. Сухие вещества ячменя составляют 8088%, влаги - от 12 до 20%.

Средний химический состав зерен ячменя (в % по СВ): крахмал 45-70; белок 7-26; пентозаны 7-11; целлюлоза 3,5-7,0; жир 2-3; зола 2-3; сахароза 1,7-2,0.

Углеводы. В ячмене преобладают в основном водорастворимые сахара и полисахариды. Ко вторым относятся крахмальные и некрахмальные полисахариды: целлюлоза, гемицеллюлоза, гумми-вещества, пектиновые вещества [39].

Азотные вещества. В ячмене соединения азота представлены как белковыми, так и небелковыми компонентами. Белковые вещества составляют большую часть веществ ячменя при нормальном созревании. Белки зерновых ячменя распределены неравномерно: наибольшее относительное содержание в алевронном слое - в глютене, во внешнем слое эндосперма - в качестве резервного, и меньше - в эндосперме, где белок содержится в составе клетки.

Жиры (липиды). Ячменные жиры представлены жирными кислотами, жирами, содержащими глицерин, и жирами, не содержащими глицерин. В

зерне ячменя жир распределяется следующим образом: в зародыше и алейроновом слое.

Фенольные вещества. Эта группа гетерогенных соединений разделяется на простые фенольные кислоты и полифенолы. Состав и содержание фенольных компонентов в зерне зависит от его сорта, состава и условий выращивания. Существует обратная зависимость между содержанием белка и полифенолами: чем выше содержание белка, тем ниже содержание полифенола. Ячмень содержит около 0,3% фенольных веществ.

Традиционно сырье для алкогольной промышленности оценивается на основе содержания крахмала - основного ферментируемого компонента зерна. Стоит однако учесть, что при разработке новых технологий такая оценка не в полной мере характеризует сырье, особенно если предполагается его комплексное использование [23].

Химический состав зерна ячменя представлено в таблице 1.1 [75].

Таблица 1.1 — Химический состав зерна ячменя, % на сухое вещество

Части зерна Белок Крахмал Жир Сахар Клетчатка Пентозаны Зола

Зерно в пленках 13,2 62,5 2,6 0,9 5,9 9,1 2,7

Пленки зд - 0,5 0,8 29,0 17,9 9,3

Эндосперм 14,1 78,6 0,9 2,8 - 3,3 0,8

Значительная доля некрахмальных полисахаридов в сырье, таком как волокно и гемицеллюлоза, сосредоточена в ячменных пленках [62, 37, 73].

1.1.2 Структура крахмала ячменя

Крахмал - это некристаллизующийся полисахарид и конечный продукт синтеза растительных углеводов. Это резервный и питательный материал, который накапливается в основном в зерновом зерне и является источником энергии для зародыша.

В сухом веществе ячменя содержание крахмала составляет от 60 до 70%.

Крахмал состоит из двух полисахаридных фракций: амилозы и амилопектина.

Эти два компонента неоднородны, их молекулярная масса значительно варьируется и зависит от природы крахмала. Амилоза - это линейный полимер, в котором остатки глюкозы связываются а-1.4-гликозидной связью, со степенью полимеризации ~2000.

Амилоза легко растворяется в горячей воде, образуя истинные нестабильные растворы и способна к спонтанным ретроградным отложениям в виде кристаллов. Молекулярный вес варьируется от 50 до 150 000. С йодом амилоза имеет синюю окраску.

Каждая молекула содержит от 300 до 500 молекул глюкозы [33, 39, 75]. Молекула амилозы имеет линейную структуру, представляет собой длинную цепочку остатков D-глюкопиранозы, с гликозидными а-1-4 связями:

С- Н С-Н сн сн

Амилопектин имеет разветвленную (древовидную) цепную структуру, молекула которой содержит до 50 тыс. остатков D-глюкопиранозы, связанных 1,4- и 1,6-связями (точки разветвления и составляют около 5% от общего количества связей) [33].

СН2ОН СН;ОН

он он он он

Основные физико-химические свойства крахмала, имеющие большое значение для пищевых продуктов, включают: способность крахмала клейстеризоваться, вязкость растворов глютена и их способность к студнеобразованию [33].

Качество и питательные свойства продуктов на основе крахмала во многом определяются изменениями, которые крахмал претерпевает в

процессе обработки и последующего хранения. Эти изменения, определяющие функциональные свойства крахмала включают поглощение воды, набухание гранул, образовании вязкоупругой массы при нагревании, с последующим перераспределением дисперсных крахмальных цепочек при охлаждении и образовании геля [134].

При нагревании в воде крахмальные гранулы увлажняются, набухают и превращаются в пастообразную массу. Гранулированная структура разрушается в результате плавления кристаллитов, развертывания спиралей и разрыва водородных связей. Эти изменения в совокупности называются желатинизацией крахмала. Проведены обширные исследования по определению течения и измерения желатинизации крахмала, включая определение фазовых изменений крахмала и влияния желатинизации на переработку крахмалсодержащего сырья [134-136]. При охлаждении крахмальные цепи постепенно переходят в частично упорядоченные структуры - процесс ретроградации. В связи с этим, большое внимание уделяется снижению или замедлению ретроградации [135].

Температура образования клейстера крахмалом различна и составляет от 55 до 75 С.

Кроме того, в природе растворимые крахмальные гранулы являются частью органической полимерной связи эндосперма зерновых, которая состоит из гемицеллюлозы: Р-глюканов и белковых пентозанов [33].

Технологическую сложность при переработке проблемного зерна представляют некрахмалистые полисахариды, которые мы и рассмотрим подробнее [37].

1.1.3 Целлюлоза зерна ячменя

Целлюлоза - основное вещество клеточных стенок оболочки зерна, которые в среднем содержат целлюлозы (11 %), гемицеллюлоз (37 %). Содержание целлюлозы в зерне составляет для ячменя 5-6 %.

Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид с высоким молекулярным весом, состоящий из остатков глюкозы в сочетании с гликозидными связями Р-1.4. Молекула целлюлозы состоит из 1400-14000 глюкозидных остатков.

В стенках растительных клеток молекулы целлюлозы связаны друг с другом, образуя структурные единицы, называемые микрофибрилами. Целлюлозные микрофибилы состоят из 2000-6000 остатков Р-О-глюкопиранозы. Линейные цепочки целлюлозы стабилизируются внутримолекулярными водородными связями [33].

Целлюлозные микрофибрилы образуют дисперсную текстуру.

Каждая микрофибрилла состоит из пучка молекул целлюлозы, которые расположены параллельно друг другу. Молекулы целлюлозы располагаются трехмерном пространстве упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Вокруг кристаллической решетки находится область менее упорядоченно расположенных молекул целлюлозы. Эта область называется паракристаллической. В эту область входят и гемицеллюлозы; обычно Р-глюканы. Комплекс целлюлозных цепей и гемицеллюлозы не позволяет молекулам целлюлозы паракристаллической области образовывать кристаллическую решетку, так что молекулы воды могут проникнуть в эту область, а не в кристаллическую структуру микрофибриллы [62].

^Хон он

Рис. 1.1 Схема возможного строения микрофибрилл целлюлозы

1.1.4 Гемицеллюлозы зерна ячменя

Гемицеллюлозы делятся на гексозаны (Р-глюканы, маннаны, галактаны, галактоманнаны) и пентозаны (арабаны, ксиланы). По химической структуре встречаются гомо- и гетерополисахариды.

Гемицеллюлозы наряду с целлюлозой присутствуют почти во всех клеточных стенках растений [62]. В отличии от целлюлозы, имеющей кристаллическую прочную и устойчивой к гидролизу структуру, гемицеллюлозы имеют произвольную, аморфную структуру с низкой прочностью. Они легко гидролизуются разбавленной кислотой или основанием, а также ферментами.

Гемицеллюлозы содержат большое разнообразие различных углеводных мономеров, в то время как целлюлоза содержит только безводную глюкозу. Например, помимо глюкозы, в гемицеллюлозах могут содержаться ксилоза, арабиноза, манноза и галактоза. Гемицеллюлозы содержат большую часть D-пентозанов, и иногда небольшое количество L-сахаров. В составе гемицеллюлоз также встречаются глюкуроновая и галактуроновая кислоты.

Ксиланы - это в основном легкогидролизуемые гомополисахариды, состоящие из остатков Э - ксилопиранозы, соединенных между собой р 1,4-гликозидными связями. Арабаны - все легкогидролизуемые полисахариды.

Рис. 1.2 - Структура ксилана [40]

Маннаны - это полимерная цепь остатков маннозы, связанных 1.4-связью с определенными ветвями 1.6-связи; содержит 200-400 остатков маннозы в молекуле. Являются частью водорослей, хвойных пород дерева. Гетерополимеры маннозы и галактозы - галатроманнаны.

Галактоманнан - это резервный полисахарид клеточных стенок, который потребляется при проращивании семян для нужд энергетического обмена. В семени он выполняет водоудерживающие и защитные функции. Галактоманнан имеет основную цепь, состоящую из остатков D-маннозы, связанных 1.4-связями. Боковые ветви представлены простыми остатками галактозы, прикрепленными к остаткам манноза 1,6-гликозидным связями.

СН2ОН о-к он

Рис. 1.3 - Структурная формула галактоманнана [40]

Р-Глюкан представляет собой линейный гомополисахарид, состоящий из Р-О-глюкопиранозы, связанной с Р-1.3-1.4-гликозидными связями.

н он СН3ОН

Н ОН СН2ОН Н он

Рис. 1.4 - Структурная формула ß-глюкана [40]

При температуре до 40-50°С ß-глюкан способен поглощать воду и образовывать вязкие растворы [118].

Количество пентозанов в зерне ячменя достигает 7-11 %. Среди гемицеллюлоз в клеточных стенках тканей ячменя основном преобладают ß-глюканы.

Ячмень и овёс обладают наибольшим содержанием р-глюкана, среди выращиваемых зерновых культур. Значение этого показателя качества

пшеницы, ячменя, овса и ржи составляет 0,6; 4,2; 3,9; 2,5%, соответственно, в эндосперме - 0,3; 4,1; 1,8; 1,7% по сухой биомассе [125].

Разделение гемицеллюлозы и гумми-веществ на две группы определяется растворимостью в воде. Гемицеллюлоза растворима в разбавленных щелочах, но не растворима в горячей воде Гумми-вещества растворяются в воде при температуре выше 40°С. [62].

Ячмень содержит гораздо больше некрахмальных полисахаридов, чем пшеница. Так, пшеница содержит Р-глюкана в среднем до 0,06%; гемицеллюлозы - до 3,1-4,4; гумми-веществ - от 1,1 до 1,8; целлюлозы до 3,0. Ячмень в свою очередь содержит р-глюкана до 0,18 % [125, 118].

1.2 Характеристика ферментов, применяемых в спиртовом производстве для конверсии полимеров зерна 1.2.1 Амилолитические ферменты

Альфа-амилазы (эндо 1,4-а-О-глюканглюкангидролаза EC 3.2.1.1) представляют собой семейство ферментов, неупорядоченно расщепляющих а-1,4 связи между соседними субъединицами глюкозы в полисахаридах, что приводит к выделению олигомеров короткой цепи и декстринов.

Альфа-амилазы получают промышленным путем глубинной культивации с использованием (часто генетически улучшенных) видов Bacillus и Aspergillus, однако в литературе подчеркивается потенциал культур выращенных на твердых средах [24]. Выявлен широкий спектр бактериальных и грибковых видов, вырабатывающих ферменты альфа-амилазы, обладающие различными характеристиками, такими как термостабильность, галоустойчивость, психроустойчивость и стабильность в щелочных средах [25-27].

Li et al. [135] недавно выделили, характеризовали и клонировали термоустойчивую изоамилазу. Для этого фермент был биосинтезирован с помощью термофильной бактерии Bacillus sp. Этот новый фермент, как сообщается, проявляет свою оптимальную активность при необычайно высокой температуре 70°C, а также активен в щелочном диапазоне pH.

Gurumurthy et al. [136] завершили молекулярную характеристику чрезвычайно термостабильной альфа-амилазы для промышленного применения.

Этот новый фермент был получен бактерией Geobaccoillus sp., которая была выделена из воды геотермального источника. Эта изолированная бактерия обладала характеристиками термостойкости и щелочности. Очищенный препарат амилазы, пригодный для применения, был получен с использованием колонки DEAE-целлюлозы и фильтрационной хроматографии Sephadex G-150 gel. Фермент является новой альфа-амилазой благодаря своей оптимальной активности при средней высокой температуре 90°C и щелочной рН 8,0. Однако этот очищенный препарат оказался стабильным при 90 °C. только в течение 10 минут.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ковалева Татьяна Сергеевна, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Устинова А.С., Меледина Т.В., Баракова Н.В., Борисова Е.В., Кузнецова К.А. Влияние углеводного состава высококонцентрированного ячменного сусла на бродильную активность спиртовых дрожжей. - 2013. -№ 3. - С. 39-42. - Рез. Англ. - Библиогр.: С. 41-42.

2. Наумова Е.С., Садыкова А.Ж., Мартыненко Н.Н., Наумов Г.И. Молекулярно-генетическая характеристика спиртовых дрожжей Sассhаrоmусеs cerevisiae. - Микробиология. 2013. Т. 82. № 2. С. 176.

3. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Серба Е.М., Игнатова Н.И., Шелехова Н.В., Веселовская О.В. Влияние ферментативных комплексов на процессы глубокой переработки зернового сырья в ресурсосберегающей технологии спирта. - В сборнике: Перспективные биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов VII Международный научно-практический симпозиум. // Под редакцией В.А. Полякова, Л.В. Римаревой, 2014. С. 213-219.

4. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Шелехова Н.В., Веселовская О.В., Римарева Л.В. Ферментативная конверсия биополимеров зернового сусла, обеспечивающая эффективный процесс сбраживания концентрированных сред осмофильными расами дрожжей. - В сборнике: Перспективные биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов VII Международный научно-практический симпозиум. // Под редакцией В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. 2014. С. 127-134.

5. Гридина С.Б., Зинкевич Е.П., Владимирцева Т.А., Забусова К.А. Ферментативная активность зерновых культур. - Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2014. № 8 (95). С. 57-60.

6. Pakhomov A.N., Banin R.Y., Chernikh E.A., Loviagina E.Y., Sorokina N.S. Method of determination of adhesion of the film dries distillery grains on the substrate. - В сборнике: Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 5th International Academic Conference. Publishing House Science and Innovation Center. 2014. С. 71-72.

7. Долгов А.Н., Агафонов Г.В., Зуева Н.В., Шенцева С.А. Выбор способа измельчения зернового сырья при разработке технологии получения этанола. - Хранение и переработка сельхозсырья. - 2014. № 8. С. 13-15.

8. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Серба Е.М., Игнатова Н.И. Ферментные препараты и их влияние на биокаталитические процессы глубокой переработки зернового сырья, технологические показатели зернового сусла, процессы генерации дрожжей и спиртовое брожение. - В сборнике: Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и ликероводочных изделий - 2015. С. 10-27.

9. Туршатов М.В. Технологические приемы получения спирта из зернового сырья с улучшенными органолептическими показателями. - В сборнике: Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и ликероводочных изделий - 2015. С. 36-38.

10. Шелехова Н.В. Современные аналитические приборы, вспомогательное оборудование и новые возможности контроля технологических процессов производства алкогольной продукции. - В сборнике: Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и ликероводочных изделий - 2015. С. 101-103.

11. Шелехова Н.В., Шелехова Т.М. Новые направления в совершенствовании контроля качества и безопасности производства спирта этилового из пищевого сырья. - В сборнике: Наука и образование в жизни современного общества сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 14 томах. 2015. С. 159-161.

12. Иванов С.В., Шиян П.Л., Мудрак Т.Е., Ковальчук С.С. Ресурсосберегающие технологии подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию. - Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 1. С. 24-28.

13. Shelekhova N.V., Shelekhova T.M. The importance of continuing professional development of production laboratory specialists in quality control and alcohol production safety in the present-day production. - В сборнике: The Strategies of Modern Science Development: Proceedings of the VIII International scientific-practical conference North Charleston, SC, USA, 2015.С. 69-71.

14. Avilova I.A., Vasil'ev S.G., Rimareva L.V., Serba E.M., Volkova L.D., Volkov V.I. Water metabolism in cells of Saccharomyces cerevisiae of races y-3137 and y-3327, according to pulseD-field gradient NMR Data. - Russian Journal of Physical Chemistry A. 2015. Т. 89. № 4. С. 710-714.

15. Фазлинурова Э.З. Характеристика дрожжей, применяемых в бродильных производствах. - В сборнике: Студент и аграрная наука Материалы VIII студенческой научной конференции - 2014. С. 189-190.

16. Кузнецова К.А., Баракова Н.В., Зайцева М.Ю., Алимова Д.С., Начётова М.А. Выбор способа подготовки сухих спиртовых дрожжей к сбраживанию ячменного сусла повышенной концентрации - Пиво и напитки. 2017. № 3. С. 18-22.

17. Серба Е.М., Игнатова Н.И., Оверченко М.Б., Антонова А.А., Римарева Л.В. Влияние ферментных систем на технологические показатели концентрированного зернового сусла и выход спирта - Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и спиртных напитков / Сборник научных трудов, 2017. С. 12-30.

18. Середа А.С., Великорецкая И.А., Костылева Е.В., Цурикова Н.В., Рожкова А.М., Синицын А.П. Ферментные препараты глюкоамилазы, кислой протеазы и гемицеллюлаз на основе новых рекомбинантных штаммов для эффективной конверсии крахмалосодержащего зернового сырья -Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и спиртных напитков. / Сборник научных трудов, 2017. С. 31-34.

19. Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Серба Е.М., Римарева Л.В., Белокопытова Е.Н. Спиртовые расы дрожжей Sассhаrоmусеs cerevisiae с термотолерантными и осмофильными свойствами для интенсификации процесса брожения зернового сусла. - Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и спиртных напитков. / Сборник научных трудов, 2017. С. 35-43.

20. Кононенко В.В., Туршатов М.В., Леденев В.П., Кривченко В.А., Моисеева Н.Д., Соловьев А.О. Анализ процессов производства спирта в условиях ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих сокращение эксплуатационных затрат и выхода барды. - Современные биотехнологические процессы, оборудование и методы контроля в производстве спирта и спиртных напитков / Сборник научных трудов, 2017. С. 66-74.

21. Шарова Н.Ю., Принцева А.А., Манжиева Б.С., Выборнова Т.В., Муста О.Н. Ферменты гидролитического действия в технологиях переработки некондиционного крахмалсодержащего сырья. - Пищевая промышленность. 2019. № 4. С. 115-117.

22. Шелехова Н.В., Шелехова Т.М., Скворцова Л.И., Полтавская Н.В. Современное состояние и перспективы развития контроля качества алкогольной продукции. - Пищевая промышленность. 2019. № 4. С. 117-119.

23. Yessimova A.M., Narymbaeva Z.K., Mamitova A.D., Tasybayeva Sh. B., Kanzhigitova M. Zh. Application of starch-containing raw materials in the production of alcohol. - Промышленные технологии и инжиниринг (ICITE-2018) V International scientific practical Conference. ЮжноКазахстанский государственный университетим. М. Ауэзова. Шымкент, 2018. С. 45-48.

24. Бойко П.Н., Бондар Н.В., Зинченко И.Н., Куц А.М. Milling of grain for ethanol production. - Научное окружение современного человека: техника, информатика, архитектура, медицина, сельское хозяйство Линда С.Н., Львович И.Я., Преображенский А.П., Чопоров О.Н., Олешко Е.П.,

Петровская Ю.Р., Кучерук М.Д., Агаджанова С.В., Алёшин С.П., Бойко П.Н., Бондар Н.В., Варламов А.А., Гаврилов В.Б., Зинченко И.Н., Купчак Д.В., Куц А.М., Михайловская Е.В., Толбатов А.В., Толбатов В.А., Шандиба О.Б. и др. Серия монографий. Сер. «Научное окружение современного человека», Одесса, 2019. С. 9-40.

25. Акименко В.В. Биоконверсия растительного сырья анаэробными термофильными бактериями // Проблемы биохимии и физиологии микроорганизмов / Отв. ред. - Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1985. 318 с. С. 56-61.

26. Андриенко Т.В., Поляков В.А., Крикунова Л.Н. Комплексные технологии переработки ржи в спиртовом производстве: проблемы и новые предложения по их решению // В книге «Перспективные направления научно-технического развития спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности». - М.: Пищевая промышленность. - 2007. -С. 103-108.

27. Апрасюхина Н.И. Множественные формы гемицеллюлаз в фильтрате культуральной жидкости Trichoderma viride 1310. / Н.И. Апрасюхина, И.М. Тавобилов, И.А. Родионова // Прикладная биохимия и микробиология. - 2007. - № 5. - С. 624-629.

28. Белецкая О.П., Окунев О.Н., Кулаев И.С. // Проблемы биохимии и физиологии микроорганизмов / Под ред. Скрябина Г.К. Пущино: НЦБИ АН СССР, 2005. С. 61-71.

29. Белогорцев Ю.А., Чернягина Т.Б., Быкова О.Н. Некоторые физико-химические свойства бактериальной ß-глюканазы. - Фермент. И спиртовая пром-ть, 2008, № 3, С. 35-37.

30. Голубев А.М. Выделение и свойства эндоксиланазы и ß-ксилозидазы из Aspergillus oryzae / А.М. Голубев, Ф.М. Ибатулин, А.Ю. Килимник, Н.А. Родионова, К.Н. Неустроев // Биохимия. - 2003. - № 6. -С. 845-851.

31. Грачева, И.М. Технология ферментных препаратов. [Текст] / И. М, Грачева, А.Ю. Кривова - М.: Пищевая промышленность, 2009. - 397 с.

32. Ермолаева Г.А. Справочник работника лаборатории пивоваренного предприятия [Текст]/Г.А. Ермолаева. - СПб.: Профессия, 2004. - 536 с.

33. Жеребцов Н.А., Попова Т.Н., Артюхов В.Г. Биохимия. - Воронеж: ВГУ, 2002. - 696 с.

34. Жеребцов, Н.А. Углеводы в сырье и продуктах питания [Текст]: учеб. пособие для вузов / Н.А. Жеребцов, Л.П. Пащенко. - Воронеж.: Воронеж.гос. технол. акад., 1999. - 108 с.

35. Жеребцов Н.А., Корнеева О.С., Фараджева Е.Д. Ферменты: их роль в технологии пищевых продуктов: Учебное пособие. - Воронеж: Изд - во ВГУ, 1990 - 120 с.

36. Зайкина И.В., Тиунова Н.А., Кобзева Н.Я., Безбородов А.М. Изучение свойств экзо - 1,3^-глюканаз Geotrichum candidum 3с. - Прикл. биохимия и микробиология, 2005, т. 21, № 4, С. 461-466.

37. Иванова, Е.Г. Влияние гемицеллюлаз на гидролиз некрахмальных полисахаридов [Текст] / Е.Г. Иванова, Л.В. Киселева, Н.Г. Ленец и др. // Пиво и напитки. - 2009. - № 2. - С. 19-22.

38. Калинина, О.А. Оптимизация переработки зерна ржи в спиртовом производстве [Текст] / О.А. Калинина, Т.И. Гусева, Э.Н. Колдин // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2014. - № 1. - С. 18-20.

39. Кононенко В.В., Крикунова Л.Н., Колпакова В.В. Переработка зерна ржи и ячменя в спиртовом производстве // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2013. - № 3. - С. 11-13.

40. Кретович, В.Л. Биохимия зерна и хлеба. [Текст] / В.Л. Кретович. -М.: Наука, - 1991. - 133 с.

41. Крикунова, Л.И. Реологическое поведение клейстеризованного крахмалсодержащего сырья [Текст] / Л.И. Крикунова, Е.М. Максимова, В.Я. Черных // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2011. - № 3. -С. 24-25.

42. Крикунова, Л.И. Эффективность дифференцированного способа переработки зерна для получения спирта [Текст] / Л.И. Крикунова, Е.М. Максимова, В.В. Кононенко // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2012. - № 1. - С. 10-12.

43. Крикунова Л.Н., Максимова Е.М. Интенсификация производства этанола из ржи разделением фракций полисахаридов // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2013.- № 4. - С. 20-22

44. Крикунова Л.Н., Журба О.С. Реологические исследования - научно-технические основы решения задач спиртовой отрасли // В книге «Прогрессивные технологии и современное оборудование - важнейшие составляющие успеха экономического развития предприятий спиртовой и ликероводочной промышленности». - М.: Пищепромиздат. - 2013. - С. 35-47

45. Крикунова Л.Н., Поляков В.А., Андриенко Т.В. Современные подходы в оценке технологических свойств основного сырья спиртовой отрасли // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2016.- № 10. - С. 374122.

46. Ледова Л.А., Бухтиярова М.Г., Белецкая О.П., Кулаев И.С. Очистка и своиства эндоглюканаз Aspergillus japonikus. - Прикл. биохимия и микробиология, 2009, т. 26, № 2, С. 190-194.

47. Логинова Л.Г. Анаэробные термофильные бактерии. М.: Наука, 2005, 100 с.

48. Мазур, Н.С. Ферментативный гидролиз ß-глюканов [Текст] / Н.С. Мазур, В.Л. Яровенко, В.И. Родзевич // Ферментативная и спиртовая промышленность. - 2008. - № 8. - С. 33-35.

49. Максимова, Е.М. Исследование реологических характеристик замесов для оценки действия ферментных препаратов с термостабильной а-амилазой [Текст] / Е.М. Максимова, Л.Н. Крикунова, В.Я. Черных и др. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - № 1. - С. 25-28.

50. Полыгалина Г.В. Технохимический контроль спиртового и ликеро -водочного производств. - М.: Колос, 1999. - 336 с.

51. Полыгалина, Г.В. Определение активности ферментов [Текст]/г.В. Полыгалина, В.С. Чередниченко, Л.В. Римарева. Справочник. - М.: ДеЛи принт, 2003. - 375 с. 55.

52. Поляков, В.А. Перспективные ферментные препараты и особенности их применения в спиртовой промышленности [Текст] / Поляков

B.А., Римарева Л.В. // Пиво и напитки, 2012, № 2, С. 52-55.

53. Рафаловская Т.Я., Шишкова Э.А., Орещенко Л.И. Свойства ß-глюканазы Bacillus subtilis. - Прикл. биохимия и микробиология, 2006, т. 22, № 5, С. 622-628.

54. Ресурсосберегающая технология в производстве спирта [Текст] / Под ред. Н.С. Терновского. - М.: Пищевая промышленность, 2014. - 120 с.

55. Рикачаку Кэнкюдзё. Способ получения ß-глюканазы. - Пат. 723549 (Япония), 2014.

56. Римарева, Л.В. Перспективы использования протеолитических ферментных препаратов [Текст] / Римарева Л.В. // Пищ. пром-сть, 1996, № 3,

C. 44-45.

57. Римарева, Л.В. Повышение эффективности биотехнологических процессов спиртового производства [Текст] / Римарева Л.В. // Производство спирта и ликероводочных изделий, 2003. № 4. - с. 13-18.

58. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Кадиева А.Т. Мультиэнзимные системы в производстве спирта // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2004. № 3. С. 22-24.

59. Римарева Л.В. Микробные ферментные препараты в спиртовом производстве // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2002. № 4. С. 27-6.

60. Римарева, Л.В. Состояние и перспективы развития современных технологий в спиртовом производстве [Текст] / Л.В. Римарева // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2005. - № 2. - С. 4-6.

61. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Абрамова И.М. Теоретические и практические основы ферментативного катализа полимеров

зернового сырья в спиртовом производстве // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2008. № 3. С. 4-9.

62. Родионова, Н.А. Геммицеллюлозы зерна злаков и ферменты, катализирующие их расщепление [Текст] / Н.А. Родионова, Л.В. Капрельянц, П.В. Середницкий, А.Ю. Кипимник // Прикладная биохимия и микробиология. -2012.-т. 28.-вып. 5.-с. 645-664.

63. Родионова Н.А. Разделение эндо-1,4-р-ксиланаз Geotrichum candidum Зс с различной способностью к сорбции на нерастворимом субстрате/ Н.А. Родионова, Н.В. Дубовая, Т.И. Одинцова, И.М. Грачева, А.М. Безбородов // Прикладная биохимия и микробиология. - 2012. - № 5. -С. 490-494.

64. Технологические аспекты получения высококачественного спирта [Текст] / Л.В. Римарева, М.Б. Оверченко, Н.И. Игнатова и др. // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2012. - № 3. - С. 16-19.

65. Тихомиров Д.Ф., Столбова В.В., Клесов А.А. Эндо - 1,4-р-глюканаза анаэробной бактерии Clostridium thermocellum штамм № 3 с высокой стабильностью // Прикл. биохимия и микробиология, 2009, т. 25, № 1, С. 48-55.

66. Тихомиров Д.Ф., Фетисова В.В., Симанькова М.В., Клесов А.А. Эндо - 1,4-р-глюканаза анаэробной термофильной бактерии Clostridium thermocellum в условиях распада мультиферментных кластеров // Биохимия. 2008. Т. 53. № 5. С. 758-767.

67. Улнг Д. Ферментация и технология ферментов. / Д. Улнг, Ч.Кооней, А. Демайн. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 2013. - С.

68. Устинников, Б.А. Производство спирта с использованием механико-ферментативной обработки сырья [Текст] / Устинников Б.А., Пыхова С.В., Громов С.И. // М.: АгроНИИТЭИПП, Серия «Спиртовая, дрожжевая и ликероводочная промышленность»: Обзорная информация; Вып.4. 2014. - 32 с.

69. Фирантене Р.К., Авиженис В.Ю., Тиунова Н.А. Очистка и некоторые свойства 1,3-1,4-р-глюканазы из Bacillus subtilis. - Биохимия, 2013, т. 46, № 4, С. 603-611.

70. Фирантене Р.К., Тиунова Н.А., Безбородов А.М., Фиринтас С. -Т.А. 1,3-1,4-р-глюканаза Bacillus subtilis 103. - Прикл. биохимия и микробиология, 2004, т. 20, № 3, С. 318-324.

71. Фрей Висслинг А., Мюлеталер К. // Ультраструктура растительной клетки. М.: Мир, - 2008. с. 60-68.

72. Фрей Висслинг А. Сравнительная органелогия цитоплазмы. М.: Мир, - 2006. с. 43-50.

73. Шарков, В.И. Химия гемицеллюлоз [Текст] / В.И. Шарков, Н.А. Куйбина. - М.: Мир-2012. -с. 66-67.

74. Ярмош, В.И. Состояние и перспективы развития спиртовой и ликероводочной промышленности России [Текст] / В.И. Ярмош // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2003. - № 2. - С. 6-8.

75. Яровенко, В.Л. Технология спирта [Текст] / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирнов и др., под общ. ред. В.Л. Яровенко. - М.: Колос, 2002. - 464 с.

76. Albersheim P. Plant Biochemistry. New York; San Fransisco; London: Acad. Press, -2013. P.225-274.

77. Anthony T. High molecular weight cellulase-free xylanase from alkalitolerant Aspergillus fumigatus АЯ1 / T. Anthony, R. Chandra, A. Rajendran, P. Gunasekaran // Enzyme and Microbial Technology. - 2013. - Vol. 32, № 20. - P. 647-654.

78. Badal С Saha Production, purification and properties of xylanase from a newly isolated Fusarium proliferatuml С Badal // Process Biochemistry. - 2012. -Vol. 37, № 11- P. 1279-1284.

79. Bahghate G.N., Dalglesh C.E. // Prok. Am. Soc. Brew. Chem. 2015. V. 1. P. 32-36.

80. Bakir U. An endo-ß-l, 4-xylanase from Rhizopus oryzae: production, partial purification and biochemical characterization / U. Bakir, S. Yavascaoglu, F. Guvenc, A. Ersayin // Enzyme and Microbial Technology. -2014. - Vol.29, № 67. - P. 328-334.

81. Baldrian P. Lignocellulose degradation by Pleurotus ostreatus in the presence of cadmium / P. Baldrian, J. Gabriel // FEMS Microbiology Letters. -2013. - Vol. 220, № 2. - P. 235-240.

82. Bamforth C.W. // Brew. Dig. 2012. V. 57. P. 22-27.

83. Bamforth C.W., Martin H.L. // J. Inst. Brew. 2011. V. 87. P. 81-84.

84. Bamforth C.W., Martin H.L. // J. Inst. Brew. 2013. V. 87. P. 365-371.

85. Bartolome B. Growth and release of hydroxycinnamic acids from Brewer's spent grain by Streptomyces avermitilis CECT 3339 / Be. Bartolome, C Gomez-Cordoves, A.I. Sancho, N. Diez, P. Ferreira, J. Soliveri, J.L. Copa-Patino // Enzyme and Microbial Technology. - 2013. - Vol. 32, № 1. - P. 140144.

86. Bass E.J., Meredith W.O.S. // Cereal. Chem. 2015. V. 32. P. 374-381.

87. Bialasiewicz D. Wplyw obnizenia temperatuty na aktywnosc enzymow hydrolitycznych Geotrichum candidum Link / D. Bialasiewicz // Przem. spoz. -2017. - Vol. 51, № II. - P.34-36.

88. Cardoso O. Purification and characterization of a novel cellulase-free xylanase from Acrophialophora nainiana / O. Cardoso and E. Filho // FEMS Microbiology Letter. - 2015. - Vol.223, № 2. - P.309-314.

89. Cazemier A.E. Molecular and Biochemical Characterization of Two Xylanase-Encoding Genes from Cellulomonas pachnodael A.E. Cazemier, J.C. Verdoes, A.J.J. van Ooyen, H.J.M. Op den Camp // Applied and Environmental Microbiology. - 2014. - Vol. 65, № 9. - P. 4099-4107.

90. Cesar T. Purification and properties of the xylanase produced by Thermomyces lanuginosus / T. Cesar, V. Mrsa // Enzyme and Microb. Technol. - 2016. - Vol. 19 № 4 - C 289-296.

91. Chivero E.T. Partial purification and characterisation of a xylanase enzyme produced by a micro-organism isolated from selected indigenous fruits of Zimbabwe / E.T. Chivero, A.N. Mutukumira, R. Zvauya // Food Chemistry. -2013. - Vol. 72, № 2. - P. 179-185.

92. Cobos A. Effect of polyhydroxylic cosolvents on the thermostability and activity of xylanase from Trichoderma reesei QM 9414 / A. Cobos, P. Estrada // Enzyme and Microbial Technology. - 2013. - Vol. 33, № 6. - P. 810-818.

93. Curotto E. Enzymatic pretreatment of kraft pulps from Pinus radiata D don with xylanolytic complex of Penicillium canescens (СР1) fungi / E. Curotto A. Nazal, С. Aguirre, V. Campos, N. Duran // Appl. Biochem. and Biotechnol. A. -2018. - Vol. 73, № i. p. 29-42.

94. Damaso M.C. Optimized Expression of a Thermostable Xylanase from Thermomyces lanuginosus in Pichia pastoris / M.C. Damaso, M.S. Almeida, E. Kurtenbach, O.B. Martins, N. Pereira, С M. Andrade, R.M. Albano // Applied and Environmental Microbiology. - 2013. - Vol. 69, № 10. - P. 6064-6072.

95. Dervilly-Pinel G. Investigation of the distribution of arabinose residues on the xylan backbone of water-soluble arabinoxylans from wheat flour / G. Dervilly-Pinel, V. Tran and L. Saulnier // Carbohydrate Polymers. - 2014. - Vol. 55, № 2. - P. 171-177.

96. Dhillon A. A cellulase-poor, thermostable, alkalitolerant xylanase produced by Bacillus circulans AB 16 grown on rice straw and its application in biobleaching of eucalyptus pulp / A. Dhillon, J.K. Gupta, B.M. Jauhari, S. Khanna // Bioresource Technology. - 2014. - Vol. 73, № 3. - P. 273-277.

97. Dhillon A. Enhanced production, purification and characterisation of a novel cellulase-poor thermostable, alkalitolerant xylanase from Bacillus circulans AB 16 / A. Dhillon, J.K. Gupta, S. Khanna // Process Biochemistry. - 2009. - Vol. 35, № 8. - P. 849-856.

98. Fincher G.B., Stone B.A. // Adv. Cereal. Sci. Technol. 1986. V. 8. P. 207-295. Five thermostable xylanases from Microtetraspora flexuosa for use in delignification and bleaching of ри1 р: Пат. 5437992 США, МКИ{6} 02N

1/12 / Bodie Elizabet A., Cuevar William A., Koljonen Marja; Genencor International, Inc. - № 234338; Заявл. 28.04.94; Опубл. 0,1. 0,8.95; НКИ 435/200.

99. Garcia-Campayo V. Mode of action, kinetic properties and physicochemical characterization of two different domains of a bifunctional (14) - beta-D-xylanase from Ruminococcus flavefaciens expressed separately in Escherichia coli / V. Garcia-Campayo, S.I. McCrae, J.X. Zhang, H.J. Flint, T.M. Wood // Biochem. J. - 2013. - Vol. 296. - P.235-243.

100. George S.P. A novel thermostable xylanase from Thermomonospora sp.: influence of additives on thermostability / S.P. George, A. Ahmad, M.B. Rao // Bioresource Technology. - 2012. - Vol. 78, № 3. - P. 221-224.

101. George S.P. Involvement of a Lysine Residue in the Active Site of a Thermostable Xylanase from Thermomonospora sp / S.P. George, A. Ahmad, M.B. Rao // Biochemical and Biophysical Research Communications. - 2014. -Vol.282,№ l. - P.48-54.

102. Ghanem N.B. Production of Aspergillus terreus xylanase in solidstate cultures: application of the Plackett-Burman experimental design to evaluate nutritional requirements / N.B. Ghanem, H.H. Yusef, H.K. Mahrouse // Bioresource Technology. - 2015. - Vol. 73, № 2. - P. 113-121.

103. Graessle S. Regulated system for heterologous gene expression in Penicillium chrysogenum / S. Graessle, H. Haas, E. Friedlin, H. Kurnsteiner, G. Stoffler, B. Redl // Appl. Environ. Microbiol. -2013. - Vol. 63, № 2. - P. 753-756.

104. Gupta N. Cloning, Expression, and Sequence Analysis of the Gene Encoding the Alkali-Stable, Thermostable Endoxylanase from Alkalophilic, Mesophilic Bacillus sp. Strain NG-27 / N. Gupta, V. Shiva Reddy, S. Maiti, A. Ghosh // Applied and Environmental Microbiology. - 2010. - Vol. 66, № 6. - P. 2631-2635.

105. Huber D.F., Nevins D.J. Preparation and properties of a P-D-glucanase for the specific hydrolysis of P-D-glucans. - Plant Physiol., 2007, v. 60, № 2, р. 300-304.

106. Huotari F.I., Nelson T.E., Smith F., Kirkwood S. Purification of an Exo-ß-D - 1,3-glucanase from Basidiomycete species QM-806. - J. Biol. Chem., 2014, v. 243, № 5, p. 952-956.

107. Hurst P.L., Nielsen J., Sullivan P.A., Shepherd M.G. // Biochem. J. 2017. V. 165. P. 33-41.

108. Ikeda R., Yamamoto T., Funatsu M. // Arg. Biol. Chem. 2013. V. 37. № 5. P. 1153-1159.

109. Jeffries T. Method of removing colors from wood pulp using xylanase from Streptomyces roseiscleroticus NRRL B-11019 / T. Jeffries, A. Grabski, R.N. Patel, G. Elegir, G. Szakacs // Biotechnol. A. - 2017. - Vol. 15,№ 1. - P. 296-301.

110. Jorgensen H. Purification and characterization of five cellulases and one xylanase from Penicillium brasilianum IBT 20888 / H. Jorgensen, T. Eriksson, J. Borjesson, F. Tjerneld, L. Olsson // Enzyme and Microbial Technology. -2013. - Vol.32, № 7. - P. 851-861.

111. Kang M.K. Purification and Characterization of Two Xylanases from Alkalophilic Cephalosporium sp. Strain RYM-202 / M.K. Kang, P.J. Maeng, Y.H. Rhee // Appl. Environ. Microbiol. - 2016. - Vol. 62, № 9. - P. 3480-3482.

112. Katapodis P. Biochemical and catalytic properties of an endoxylanase purified from the culture filtrate of Sporotrichum thermophile/ P. Katapodis, M. Vrfianska, D. Kekos, W. Nerinckx, P. Biely, M. Claeyssens, B.J. Macris, P. Christakopoulos // Carbohydrate Research. - 2013. - Vol. 338, № 18. - P. 18811890.

113. Kilunga K.B. Purification and characterization of Aeromonas caviae ME-1 xylanase V, which produces exclusively xylobiose from xylan / K.B. Kilunga, S. Tohru, H. Hiroyuki, K. Keiichi, T. Kazuhiro // Appl. and Environ. Microbiol. -2014. - Vol. 60, № 2. - P. 531-535.

114. Kubata B.K. Xylanase IV, an Exoxylanase of Aeromonas caviae ME-1 Which Produces Xylotetraose as the Only Low-Molecular-Weight Oligosaccharide from Xylan / B.K. Kubata, K. Takamizawa, K. Kawai, T. Suzuki, H. Horitsu // Appl. Environ. Microbiol. - 2015. - Vol. 61, № 4. - P. 1666-1668.

115. Lam S.K. A xylanase from roots of sanchi ginseng (Panax otoginseng) with inhibitory effects on human immunodeficiency virus-1 reverse transcriptase / S.K. Lam, T.B. Ng // Life Sciences. - Volume 70. - Issue 25. - 10 May 2012. -Pages 3049-3058.

116. Lee Y.E. Gene cloning, sequencing, and biochemical characterization of endoxylanase from Thermoanaerobacterium saccharolyticum B6A-RI / Y.E. Lee, S.E. Lowe, J.G. Zeikus // Appl. Environ. Microbiol. - 2013. - Vol. 59, № 9. -P. 3134-3137.

117. Li X.L Purification and characterization of a new xylanase (APX-II) from the fungus Aureobasidium pullulans Y-2311-1 / X.L. Li, Z.Q. Zhang, J.F. Dean, K.E. Eriksson, L.G. Ljungdahl // Appl. Environ. Microbiol. - 2013. -Vol.59, No. 10. - P.3212-3218.

118. Luehsinger W.W., Chem S.C., Bichards A.W. Mecanism of action of malt p-glukanases, structures of products, structures of Barlen p-D-glucan du endo-P-glukanase. - Arch. Biochem, biophys, 2015,112.

119. Lundgren K.R. TCF mill trial on softwood pulp with Korsnas thermostable and alkaline stable xylanase T6 / K.R. Lundgren, L. Bergkvist, S. Hogman, H. Joves, G. Eriksson, T. Bartfai, J. Laan, E. Rosenberg, Y. Shoham // FEMS Microbiol. Rev. - 2014. - Vol. 13, № 2-3. - P. 365-368.

120. MacCabe A.P. Improving extracellular production of fooD-use enzymes from Aspergillus nidulans I A.P. MacCabe, M. Orejas, E.N. Tamayo, A. Villanueva, D. Ramon //Journal of Biotechnology. - 2012. - Vol.96, № 1. - P. 4354.

121. Manners D.J., Marshall J.J. // J. Inst. Brew. 2019. V. 75. P. 550-561.

122. Manners D.J., Seiler A., Sturgeon R.J. // Carbohydr. Res. 2012. V. 100. P. 435-440.

123. Martinez-Trujillo A. Enzymatic properties of a purified xylanase from mutant PN-120 of Cellulomonas flavigena / A. Martinez-Trujillo, O. Perez-Avalos, T. Ponce-Noyola // Enzyme and Microbial Technology. - 2013. - Vol. 32, № 34. - P.401-406.

124. Medeiros R.G. Production of xylan-degrading enzymes from Amazon forest fungal species / R.G. Medeiros, R. Hanada, E.X.F. Filho // International Biodeterioration & Biodegradation. - 2013. - Vol. 52, № 2. - P. 97-100.

125. Полонский В.И., Сумина А.В. Содержание ß-глюканов в зерне как перспективный признак при селекции ячменя на пищевое использование. - Сельскохозяйственная биология, 2013, № 5.

126. Milagres A. Evaluating the basidiomycetes Poria medula-panis and Wolfiporia cocos for xylanase production / A. Milagres, R.M. Sales // Enzyme and Microbial Technology. - 2014. - Vol. 28, № 6. - P. 522-526.

127. Morales P. Purification and Characterization of Alkaline Xylanases from Bacillus polymyxa / P. Morales, A. Madarro, J.A. Perez-Gonzalez, J.M. Sendra, F. Pinaga, A. Flors // Appl. Environ. Microbiol. - 2013. - Vol. 59, № 5. -P.1376-1382.

128. Morral P., Briggs D.E. // Phytochemistry. 2018. V. 17. P. 1495-1502.

129. Moscatelli E.A., Ham E.A., Rickers E.L. Enzymatic properties of a ß-D-glucanase from Bacillus subtilis. - J. Biol. Chem., 2010, v. 236, № 11, p. 28582862.

130. Nagasaki S., Saito K., Yamamoto S. Purification and characterization of an exo - 1,3-glucanase from a fungi imperfecti. - Arg. Biol. Chem., 2013, v. 41, № 3, p. 493.

131. Nakamura S. Purification and some properties of an alkaline xylanase from alkaliphilic Bacillus sp. strain 41М-1 / S. Nakamura, K. Wakabayashi, R. Nakai, R. Aono, K. Horikoshi // Appl. Environ. Microbiol. - 2013. - Vоl59,№ 7. -P. 2311-2316.

132. Ng T.K., Zeikus J.G. Purification and characterization of an endoglucanase (1,4-ß-D-glukan glucanohydrolase) from Clostridium thermocellum // Biochimie. J. 2011. V. 199. № 2. P. 341-350.

133. Труфанов О.В. Фитаза в кормлении сельскохозяйственных животных и птицы. - Монография. Киев: Полиграф Инко, 2011. - 112 с.

134. Шуваева Г.П., Корнеева О.С., Григоров В.С., Руадзе И.Д. Биология и микробиология. - Уч. Пособие / Воронеж, ВГТА - 2003 г. -300 С.

135. Kandra, L. (2013). _-Amylases of medical and industrial importance. Journal of Molecular Structure (Theochem) 666-667, 487-498.

136. Kirk, O.; Borchert, T.V.; Fuglsang, C.C. (2012). Industrial enzyme applications. Curr Opin Biotechnol 13, 345-351.

137. Mazzola, P.G.; Lopes, A.M.; Hasmann, F.A.; Jozala, A.F.; Penna, T.C.V.; Magalhaes, P.O.; Rangel-Yagui, C.O.; Pessoa, A. (2014).

138. Liquid-liquid extraction of biomolecules: an overview and update of the main techniques. J Chem Technol Biotechnol 83, 143-157.

139. Moller, K.; Sharif, M.Z.; Olsson, L. (2014). Production of fungal alphaamylase by Saccharomyces kluyveri in glucose-limited cultivations. J Biotechnol 111, 311-318.

140. Chen, W.M.; Chang, J.S.; Chiu, C.H.; Chang, S.C.; Chen, W.C.; Jiang, C.M. (2015). Caldimonas taiwanensis sp. nov. amylase producing bacterium isolated from a hot spring. Syst Appl Microbiol 28, 415-420.

141. Couto, S.R.; Sanroman, M.A. (2016). Application of solid-state fermentation to food industry- A review. Journal of Food Engineering 76, 291-302.

142. Agrawal, M.; Pradeep, S.; Chandraraj, K.; Gummadi, S.N. (2015). Hydrolysis of starch by amylase from Bacillus sp. KCA102: a statistical approach. Process Biochemistry 40, 2499 - 2507.

143. Goto, C.E.; Barbosa, E.P.; Kistner, L.C.; Moreira, F.G.; Lenartovicz, V.; Peralta, R.M. (2015). Production of amylase by Aspergillus fumigatus utilizing alpha-methyl-D-glycoside, a synthetic analogue of maltose, as substrate. FEMS Microbiol Lett 167, 139-143.

144. Tanyildizi, M.S.; Ozer, D.; Elibol, M. (2015). Optimization of _-amylase production by Bacillus sp. using response surface methodology Process Biochem 40, 2291-2296.

145. Gomes, I.; Gomes, J.; Steiner, W. (2013). Highly thermostable amylase and pullulanase of the extreme thermophilic eubacterium Rhodothermus marinus: production and partial characterization. Bioresour Technol 90, 207-214.

146. Kajiwara, Y.; Takbshima, N.; Ohba, H.; Omori, T.; Shimoda, M.; Wada, H. (2017). Production of Acid-Stable _-Amylase by Aspergillus during Barley Shochu-Koji Production. J. Ferment. Bioeng. 84, 224-227.

147. Баракова Н.В. Технологические расчеты при производстве спирта и крепких алкогольных напитков: Учеб. -метод. пособие. - СПб.: Университет ИТМО; ИХиБТ, 2015. - С. 19-34.

148. Экспорт зерновых и зернобобовых из РФ в 2001-2019 гг. (по июль 2019 г.): Аналитическая статья. - Москва: Экспертно-аналитический центр агробизнеса, 2019. - С. 1-4.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Блок-схема производства этилового спирта

На воздушно-ситовом и электромагнитном сепараторах зерно подвергается очистки от крупных, мелких, легких и металломагнитных примесей, а также пыли, земли, камней и других примесей. В зерне после очистки не должно содержаться металлических примесей, сорных допускается в количестве не более 1 %. Очищенное зерно взвешивается на автоматических весах, а затем измельчается на молотковой дробилке. Степень измельчения характеризуется проходом частиц через сито с диаметром отверстий 1 мм и составляет 85-95 %.

Измельченное зерно с помощью дозатора подается в смеситель, где смешивается с теплой водой температурой 40 - 45°С в соотношении 1: 3,0 -1:3,5, которое устанавливается в зависимости от крахмалистости зерна с учетом того, чтобы концентрация сусла в осахаривателе была 16-18 % по сахаромеру. Кроме того, в смеситель из сборников ферментных препаратов с помощью дозаторов подаются Alphaferm 3500L (источник а-амилазы) из расчета 0,5-0,6 ед. АС/г крахмала, ViscoStar 150L (источник р-глюканазы, ксиланазы и целлюлазы) из расчета 0,025 ед. Р-ГкС/г крахмала, Prolyve BS Liquide (источник нейтральной протеазы) из расчета 0,25 ед. ПС/г крахмала и Kingphos (источник фитазы) из расчета 0,5 ед. ФС/г крахмала (производитель: Shandong Longda Bio-Products Co., Ltd., Китай). Время пребывания замеса в смесители 15-20 мин. В смесителе должно обеспечиваться равномерное перемешивание измельченного сырья, воды и ферментных препаратов.

В смесителе происходит начальная стадия разжижения крахмала, частичный гидролиз белков, р-глюканов, пентозанов и растворение сухих веществ за счет действия введенных ферментов и собственных ферментов зерна, обеспечивается нормальная текучесть массы. В смесителе поддерживается оптимальная температура для действия фитазы ферментного препарата Kingphos.

Далее замес с помощью насоса подается в аппарат гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени (ГДФО-I). Его объем

обеспечивает выдержку в нем замеса не менее 30 - 40 мин. После заполнения аппарата примерно на 1/3 включается циркуляционный контур с центробежным насосом для перемешивания массы в аппарате. Температура замеса 50 - 55°С поддерживаться с помощью контактной головки, связанной с циркуляционным контуром. Данная температура близка к оптимальной для действия ферментов препарата ViscoStar 150L и Prolyve BS Liquide. При этом происходит гидролиз р-глюканов пентозанов, целлюлозы, белков, а также гидролиз фитина частично сохранившейся фитазой. В результате, облегчается доступ амилолитических ферментов к полисахаридным цепям крахмала. Также происходит частичная клейстеризация крахмала, декстринизация и частичный гидролиз крахмала под действием введенной а-амилазы, увеличивается кислотность массы. Эти процессы сопровождаются интенсивным растворением сухих веществ зерна.

Далее замес из аппарата ГДФО-I самотеком отводится в аппарат гидродинамической и ферментативной обработки второй ступени (ГДФО-II), где путём циркуляции замеса через контактную головку острого пара поддерживается температура 70 - 75°С. В этих условиях замес выдерживается в течение 40 - 60 мин, при этом происходит более интенсивная клейстеризация крахмалов сырья с одновременным разжижающим действием на крахмал бактериальной а-амилазы.

Затем масса поступает в аппарат гидродинамической и ферментативной обработки третьей ступени (ГДФО-III), в котором путем подачи острого пара нагревается до температуры 95-100°С. В этом аппарате замес выдерживается 20 - 30 мин. В этих условиях клейстеризуются наиболее труднодоступные для воздействия воды и теплоты крахмальные гранулы. Причем, разжижающее действие а-амилаз на крахмал ослабевает из-за частичной инактивации фермента, но действие их продолжается. Таким образом, в ГДФО-III осуществляется дополнительный ферментативный гидролиз массы, а также ее стерилизация.

С помощью насоса масса перекачивается в паросепаратор, который выполняет роль накопительной емкости. Продолжительность пребывания массы в этом аппарате 15 - 20 мин.

Качество ферментативной тепловой обработки определяют по пробе, отбираемой после паросепаратора. Обычно масса имеет светло-коричневый цвет с белесым оттенком.

Из паросепаратора разваренная масса поступает на вакуумный испаритель-осахариватель, в который задают ферментный препарат Вю71ш 800Ь. Расход Вю71ш 800Ь составляет 5,0 - 6,0 ед. ГлА/г крахмала. Кроме того, в вакуумный испаритель-осахариватель вносят серную кислоту, для доведения рН до 4,7 - 5,0 (0,4 град кислотности. В вакуумном испарителе-осахаривателе с помощью барометрического конденсатора и вакуум-насоса поддерживается разряжение 0,081 МПа (600 - 610 мм рт. ст.). Оптимальные условия проведения процесса осахаривания следующие: температура 58-60°С, продолжительность 25-30 мин. Сусло из вакуумного испарителя-осахаривателя подается в осахариватель, где продолжается процесс гидролиза крахмала и накопление сбраживаемых сахаров. Время пребывания сусла в осахаривателе при температуре 57-58°С 80-90 мин.

Сусло из осахаривателя насосом перекачивается в теплообменник, в котором охлаждается до температуры складки 18-20°С.

Для приготовления дрожжей используется сусло с температурой 57-58°С, которое периодически откачивается из осахаривателя насосом и по обводной коммуникации поступает в дрожжанки. Для повышения степени осахаривания в сусло вносят дополнительное количество ферментного препарата глюкоамилазы из расчета 3,0-6,0 ед. ГлС/г крахмала. Доосахаривание проводят при температуре 56-58°С в течение 2-3-х часов. ФП а-амилазы дополнительно в дрожжевое сусло не вносят. Контроль за качеством осахаренного дрожжевого сусла осуществляют по йодной пробе: окрашивание фильтрата сусла должно быть желтого цвета.

После осахаривания в качестве азотистого питания для дрожжей вносят

-5

карбамид из расчета 600-750 г./м сусла или диаммоний фосфат из расчета

-5

600 г./м сусла. Карбамид задают в виде чистого водного раствора, приготовленного в соотношении 1:10. Дозировка минеральных солей может корректироваться в зависимости от вида перерабатываемого сырья и физиологического состояния дрожжей.

Сусло нагревают до температуры 80-85°С и выдерживают в течение 30 мин (проводят пастеризацию), охлаждают до 50-51 °С и подкисляют серной кислотой до рН 3,8-4,0 (0,7-0,9°), охлаждают до 30°С и засевают маточными дрожжами из маточника или предыдущей дрожжанки. Объем засевных дрожжей должен быть не менее 8-10 % к объему сусла в дрожжанке. Охлаждают до температуры складки 20-25°С в зависимости от расы дрожжей и ставят на брожение при температуре 26 - 29°С в течение 1822 ч. Готовность зрелых дрожжей определяют по снижению концентрации сухих веществ в сусле. В зрелых дрожжах видимая концентрация сухих веществ в фильтрате по сахариметру (отброд) должна составлять 1/3 от их начальной концентрации сусла, т. е. 5-6 %. Содержание спирта достигает 56 %, 4-5 % почкующихся клеток, не более 1 % мертвых клеток при полном отсутствии живых посторонних микроорганизмов. Общее количество дрожжевых клеток должно составлять не менее 100-120 млн клеток в 1 мл. Содержание гликогена должно составлять от 1/3 до 2/3 объема клетки.

Нарастание кислотности в зрелых дрожжах не допускается или не более 0,05°. Нарастание кислотности говорит об инфицировании дрожжей.

Из зрелых дрожжей отбирают дрожжи (матку) в количестве 10 % для следующего дрожжевого отъема, а оставшиеся количество дрожжей передают в бродильный чан. Освободившуюся дрожжанку моют и стерилизуют паром с добавлением формалина или хлорной извести.

В бродильный аппарат сначала подается сусло из осахаривателя с температурой 18-20°С в количестве 1-2 м , затем не прекращая подачи сусла

задают засевные дрожжи из дрожжанки в количестве не менее 6-8 % от объема аппарата.

Заполнение бродильного аппарата суслом должно осуществляться не более 6-8 часов (до наступления главного брожения). При увеличении продолжительности заполнения ухудшаются показатели зрелой бражки. Во время главного брожения поддерживается температура 29-30оС, в процессе дображивания - 27-28°С. Снижая температуру дображивания, предотвращают нарастание кислотности бражки. Общая продолжительность брожения 48 - 54 ч.

Брожение считается законченным, когда содержание несброженных растворимых углеводов в бражке достигнет 0,2 - 0,3 г/100 смз, а видимая концентрация сухих веществ (отброд) не изменится в течение последних 23 ч.

По окончании брожения зрелую бражку из бродильного аппарата прямо или через передаточную емкость насосом перекачивают в брагоректификационный цех. Во время брожения все бродильные аппараты соединены со спиртоловушкой, которая служит для конденсации паров спирта, уносимых выделяющимся диоксидом углерода. СО2 отводится через спиртоловушку для утилизации в углекислотный цех.

Освобожденный от бражки аппарат моют горячей водой с помощью моечной головки или вручную, стерилизуют паром с добавлением хлорной извести или формалина в течение 30 мин при температуре 100°С.

Перегонку бражки и ректификацию спирта осуществляют на непрерывно действующей брагоректификационной установке, состоящей из трех основных колонн: бражной, эпюрационной и ректификационной.

Бражная колонна служит для отделения летучей части бражки от нелетучей. На ней получают барду и бражной дистиллят, который поступает в эпюрационную колонну.

Эпюрационная колонна служит для выделения из бражного дистиллята головных примесей и по возможности промежуточных и концентрирование

полученных примесей. На ней отбирают головную фракцию этилового спирта (ГФЭС) и эпюрат, который поступает в ректификационную колонну.

Ректификационная колонна служит для выделения промежуточных и концевых примесей и концентрирования спирта. На ней отбирают ректификованный спирт, сивушное масло, сивушный спирт и снизу колонны отводится лютерная вода, которая поступает в канализацию.

Приложение Б

РАСЧЕТ ПРОДУКТОВ СПИРТОВОГО ПРОИЗВОДСТВА [147]

По предложенной технологии

Исходные данные:

Сырье на разваривание - ячмень с крахмалистостью 52 %, влажностью

14,0 %, содержание примесей 1 %, натурой 0,610 кг/дм3.

Ферментные препараты:

Alphaferm 3500L - активность 3500 ед. АС/см3, норма расхода в смеситель - 0,6 ед. АС/г крахмала;

ViscoStar 150L - активность р-глюканазы 140 ед./см3, ксиланазы -3700 ед./см3, норма расхода в смеситель 0,025 ед. Р-ГкГ/г крахмала;

-5

Prolyve BS Liquide - активность 750 ед. ПС/см , норма расхода в смеситель - 0,25 ед. ПС/г крахмала;

Biozim 800L - активность 13000 ед. ГлА/см3, норма расхода в осахариватель - 5,0 ед. ГлС/г крахмала.

Kingphos - активность 10000 ед. ФС/см3, норма расхода в смеситель -0,5 ед. ФС/г крахмала.

Температурный режим водно-тепловой подготовки:

начальная температура замеса 55°С;

конечная температура 100°С.

Выход спирта 67,4 дал/т крахмала (глава 4)

Таблица 1 - Количество продуктов на 3000 дал/сут

Продукты На 100 дал На суточную На часовую

безводного спирта производительность производительность

кг дм3 кг дм3 кг дм3

Сырье неочищенное 2882,1 4724,7 86461,5 141740,2 3759,2 6162,6

Сырье очищенное 2853,2 4677,4 85596,9 140322,8 3721,6 6101,0

Крахмал на разваривание 1483,7 - 44511,0 - 1935,3 -

Замес 11413,5 10512,6 342405,9 315379,0 14887,2 113712,1

Alphaferm 3500L, вносимый в 0,28 0,25 8,4 7,5 0,37 0,33

замес

ViscoStar 150L, вносимый в замес 0,32 0,27 9,6 8,1 0,42 0,35

Prolyve BS Liquide, вносимый в 0,55 0,5 16,5 15,0 0,72 0,65

замес

вносимый в замес 0,74 - 22,2 - 0,97 -

Вода для приготовления замеса 8559,7 8559,7 256790,6 256790,6 11164,8 11164,8

Острый пар для разваривания 813,5 - 24405,0 - 1061,1 -

Вю2т 800Ь, вносимый в 0,67 0,57 20,1 17,1 0,87 0,74

осахариватель

Сусло в осахаривателе 11411,1 10510,2 342332,1 315306,0 14884,0 13709,0

Зрелая бражка 10634,7 10499,6 319040,4 314986,9 13293,4 13124,5

Барда 11758,0 111411,6 352739,0 342350,0 15336,5 14884,8

Головная фракция 17,9 21,8 537 654 22,38 27,25

Сивушный спирт 10 11,8 300 354 12,5 14,75

Сивушное масло 2,8 3,4 84 102 3,5 4,25

Спирт-ректификованный 806,4 997,9 24192 29937 1008 1247,4

По существующей технологии

Исходные данные:

Сырье на разваривание - ячмень с крахмалистостью 52 %, влажностью 14,0 %, содержание примесей 1 %, натурой 0,610 кг/дм3 Ферментные препараты:

Alphaferm 3500Ь - активность 35000 ед. АС/см3, норма расхода в смеситель - 1,0 ед. АС/г крахмала;

Вю71т 800Ь - активность 13000 ед. ГлА/см3, норма расхода в осахариватель 6,2 ед. ГлС/г крахмала.

Температурный режим водно-тепловой подготовки: начальная температура замеса 55°С; конечная температура - 115°С. Выход спирта 65,9 дал/т крахмала (глава 4)

Таблица 2 - Количество продуктов на 3000 дал/сут

Продукты На 100 дал безводного спирта На суточную производительность На часовую производительность

кг дм3 кг дм3 кг дм3

Сырье неочищенное 2947,7 4832,2 88429,5 144966,1 3844,8 6302,9

Сырье очищенное 2918,2 4783,9 87545,2 143516,8 3806,31 6239,9

Крахмал на разваривание 1517,5 - 45525,0 - 1979,3 -

Замес 11673,3 10751,9 350199,7 322557,6 15226,1 14024,2

Alphaferm 3500Ь, вносимый в замес 0,47 0,43 14,1 12,9 0,61 0,56

Вода для приготовления замеса 8754,5 8754,5 262635,7 262635,7 11418,9 11418,9

Острый пар для разваривания 1136,8 - 34104,0 - 1482,8 -

Вю/т 800Ь, вносимый в 0,84 0,72 25,2 21,6 1,1 0,94

осахариватель

Сусло в осахаривателе 11672,9 10752,1 350185,8 322563,0 15225,5 14024,5

Зрелая бражка 10896,0 10757,8 326878,8 322733,3 13620,0 13447,2

Барда 12066,2 11716,9 361987,1 351505,9 15738,6 15252,7

Головная фракция 17,9 21,8 537 654 22,38 27,25

Сивушный спирт 10 11,8 300 354 12,5 14,75

Сивушное масло 2,8 3,4 84 102 3,5 4,25

Спирт-ректификованный 806,4 997,9 24192 29937 1008 1247,4

Вывод: из таблиц 1 и 2 видно, что по предлагаемой технологии уменьшается расход зерна, пара на разваривание и основных ферментных препаратов (Alphaferm 3500L и Biozim 800L).

Приложение В

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СПИРТЗАВОДА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ 3000 ДАЛ А. А. В СУТКИ [147] 1. Экономический эффект за счет увеличения выхода спирта:

Ээф. (Ксущ. - Кпред. ) ■ В ■ Д год. Мс? где

Ксущ. = 45,5 - суточный расход крахмала зерна по существующей технологии, тонн;

Кпред. = 44,5 - суточный расход крахмала зерна по предлагаемой технологии (приложение 2), тонн;

Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году; Цс = 0,70 - цена за один дал спирта, тыс. рублей; В = 67,4 - выход спирта из одной тонны крахмала ячменя (приложение 2), дал.

Ээф1 = (45,5-44,5)-67,4-305-0,70 = 14389,9 тыс. рублей. 2. Экономический эффект за счет экономии пара:

Ээф. (Рсущ. - Рпред.) ■ к ■ Дгод. ■ -Цш где

Рсущ. = 34,1; Рпред. = 24,4 - суточный расход пара по существующей и предлагаемой технологии (приложение 2) соответственно, тонн; Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году; Цт = 1,7 - оптовая цена за одну Гкал тепла, тыс. рублей; к = 0,55 - экспериментально установленный переводной коэффициент тонн пара в Гкал.

Ээф.2 = (34,1-24,4>305Ю,55-1,7 = 2766,2 тыс. рублей. 3. Экономический эффект за счет экономии зерна (ячменя):

Ээф. = (Зсущ. - Зпред. ) ■ Д год. з где

Зсущ. = 88,2; Зпред. = 86,5 - суточный расход зерна по существующей и предлагаемой технологии (приложение 2) соответственно, тонн; Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году; Цз = 12 - оптовая цена за одну тонну зерна (ячменя), тыс. рублей.

Ээф.3 = (88,2-86,5)-305-12,0 = 6222,0 тыс. рублей.

4. Экономический эффект за счет сокращения расхода ферментного

препарата Alphaferm 3500Ь:

Ээф. = (Фа . сущ. - Фа . пред. ) ■ Д год. ■ Ца, где

ФА. сущ = 14,1; ФА. пред. = 8,4 - суточный расход ферментного препарата Alphaferm 3500Ь по существующей и предлагаемой технологии (приложение 2) соответственно, кг;

Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году;

Ц = 0,45 - цена за один кг ферментного препарата Alphaferm 3500Ь, тыс. рублей.

Ээф4 = (14,1-8,4>305Ю,45 = 782,3 тыс. рублей.

5. Экономический эффект за счет сокращения расхода ферментного

препарата Вю7т 800Ь:

Ээф. = (ФВ. сущ. - ФВ. пред.) ■ Дгод ■ ЦВ, где

ФВ. сущ. = 25,2; ФВ. пред. = 20,1 - суточный расход ферментного препарата Вю7т 800Ь по существующей и предлагаемой технологии (приложение 2) соответственно, кг;

Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году;

ЦВ = 0,6 - цена за один кг ферментного препарата Вю7т 800Ь, тыс.

рублей.

Ээф5 = (25,2-20,1>305Ю,6 = 933,3 тыс. рублей.

6. Общий экономический результат:

^рез. " ХЭэф .ъ

где

Эрез. - общий экономический результат от реализации предлагаемой технологии, тыс. руб.;

ХЭэфл - суммарный экономический эффект за счет увеличения выхода спирта, экономии зерна (ячменя), экономии пара, за счет сокращения расхода ферментных препаратов Alphaferm 3500Ь и Вю7т 800Ь.

Эрез. = 14389,9 +2766,2+782,3+933,3+6222 = 25093,7 тыс. рублей 7. Затраты на ферментный препарат ViscoStar 150Ь:

З = Фу • Дгод • Цу, где Фу = 9,6 - суточный расход ферментного препарата ViscoStar 150L (приложение 2), кг;

Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году; Цу,= 1,4 - цена за один кг ферментного препарата ViscoStar 150L, тыс. рублей;

31 = 9,6-305-1,4 = 4099,2 тыс. рублей.

8. Затраты на ферментный препарат Prolyve BS Liquide: З = Фр • Дгод • Цр, где Фр = 16,5 - суточный расход ферментного препарата Prolyve BS Liquide (приложение 2), кг;

Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году; Цр = 1,5 - цена за один кг ферментного препарата Prolyve BS Liquide, тыс. рублей.

32 = 16,5-305-1,5 = 7548,8 тыс. рублей.

9. Затраты на ферментный препарат Kingphos: З = Фк • Дгод • Цк, где ФК = 2,2 - суточный расход ферментного препарата Kingphos (приложение 2), кг;

Дгод. = 305 - количество дней работы спиртзавода в году;

ЦК = 1,0 - цена за один кг ферментного препарата Kingphos, тыс.

рублей.

З3 = 2,2-305-1,0 = 671,0 тыс. рублей, 10. Общие затраты на дополнительные ферментные препараты:

Зобщ. где

ХЗ! - суммарные затраты на дополнительные ферментные препараты. Зобщ. = 4099,2+7548,8+671 = 12319 тыс. рублей. 11. Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии

составляет:

ЭД Эрез. Зобщ^

где

ЭД - экономический эффект от реализации предлагаемой технологии, тыс. руб.;

Эрез. - общий экономический результат от реализации предлагаемой технологии, тыс. руб.;

Зобщ. - затраты, связанные с внедрением предлагаемой технологии, тыс. руб.

ЭД = 25093,7 - 12319 = 12774,7 тыс. рублей.

Вывод: экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии для спиртзавода производительностью 3000 дал а. а. в сутки составит Эл = 12774,7 тыс. рублей.

Приложение Г

УТВЕРЖДАЮ: еральный директор ннинский спирт-завод»

АКТ

производственных испытаний биотехнологии этанола из ячменя на основе применения мультиэнзимного комплекса

составлен по результатам производственных испытаний на ООО «Аннинский спиртзавод» комиссией в составе представителей ООО «Аннинский спиртзавод»: генерального директора Гревцева А.Ф., заведующего производственно-технической лабораторией Беляевой М.А. и представителей ФГБОУ ВО «Воронежского государственного университета инженерных технологий»: заведующего кафедрой технологии бродильных и сахаристых производств, д.т.н., профессора Агафонова Г.В., аспиранта Ковалевой Т.С.

В качестве сырья для проведения исследований использовали ячмень крахмалистостью 52 %, содержанием белка 11,5 %, гемицеллюлозы 5,1 %, [3-глюкана 3,9 %, влажностью 14,0 %. Использовали помол со степенью измельчения 75 - 80 и 95 — 100 %.

При водно-тепловой и ферментативной обработке замеса использовали ферментные препараты Альфаферм 3500Л, ВискоСтар 150Л, Пролайв В8 Ликвид, Биозим 800Л, Кингфос.

Приготовление замеса осуществляли путем смешивания измельченного ячменного зерна с водой температурой 45-50 °С в соотношении 1:3. В опытный замес вносили ферментные препараты: в качестве источника термолабильной а-амилазы использовали ферментный препарат Альфаферм 3500Л дозировкой 0,5 - 1,0 ед. АС/г крахмала; в качестве источника протеаз — протеолитический ферментный препарат Пролайв ВБ Ликвид в количестве 0,2 ед. ПС/г крахмала; в качестве источника фитазы - ферментный препарат Кингфос в количестве 0,5 ед. ФС/г. крахмала; для расщепления некрахмалистых полисахаридов оболочки зерен ячменя использовали

комплексный препарат ВискоСтар 150Л. Ферментный препарат вносили в замес, инкубировали смесь в течение 40 мин при температуре 50° С. Затем замес подогревали до температуры 95 °С при скорости нагрева 1,0 - 1,5 °С/мин. В процессе нагревания при каждом повышении температуры на 5 °С фиксировали величину вязкости.

Применение мультиэнзимного комплекса позволяет уменьшить вязкость ячменного замеса на 82 % по отношению к контрольному образцу.

Применение фитазы приводит к разложению зернового фитина. Продукты гидролиза фитина - инозит и фосфорная кислота имеют большое значение для спиртового производства. Неорганические фосфаты снижают кислотность замеса и сусла, создавая благоприятные условия для действия ферментов и развития дрожжей. Фосфор необходим для роста и развития дрожжевых клеток.

Для предотвращения закисания вносили формалин. Осахаривание разваренной массы проводили ферментным препаратом глюкоамилазы Биозим 800Л из расчета 6,0 ед ГлС на г крахмала. Осахаривание проводили при температурах 50 - 65 °С и рН 4,0 - 5,5 в течение 120 мин. рН разваренной массы регулировали, путем внесения в нее серной кислоты.

Применение мультиэнзимного комплекса на стадии водно-тепловой обработки позволяет увеличить содержания глюкозы в сусле на 41,0 %, по сравнению с контролем.

Полученное сусло охлаждали до температуры 24 - 26 °С, вносили дрожжи в количестве 10 % от объема сусла и ставили на брожение. Процесс брожения контролировали по выделению углекислоты, путем взвешивания проб. По окончании процесса в бражке определяли количество спирта, несброженных Сахаров, нерастворенного крахмала, титруемую кислотность.

Полученные результаты представлены в таблице.

Таблица - Показатели зрелой бражки

Показатели Контроль Опыт

Объемная доля спирта, % об. 7,8 8,5

Содержание растворимых несброженных углеводов, г/100см3 0,45 0,25

Содержание нерастворенного крахмала, % 0,1 0,04

Приложение Д

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СОБСТВЕННОСТЬ

Приложение Е

ДИПЛОМЫ, СЕРТИФИКАТЫ, БЛАГОДАРНОСТИ, ГРАМОТЫ ПРАВИТЕЛЬСТВО ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

щ

ДИПЛОМ

награждается

.inpni премии нрави k ikciна Воронгжской o&ikih срсли Ч«ЫО UJ\ \ ЧСНЫХ

Ковалева Татьяна CcpiecBiia

ленврлмт кафЫрм телппi«vu* Cpmiu »ьмых u ntm^m mui нрон жмЧгям ^nhywtMNKV .чкуп>шрсмвеимм> Мжгяял.'п о6рвю*аме.1Ьиого учреждения высшем обри юления »Воронежским госудлрственный унияерситет инженерных мшяши«»

м M9Hi№-iia'.iMoMMiM°A)fw /мАш^ »Солершенсттыиние ямлаж*« mmnam iii«ui/m>

*

Губернатор /,.У |

ВорокежсхоА с/> лктм 2Р 4 Е5ГТ*1 Г)

А В Г>сс*