Влияние химического состава зерна на спиртовое брожение

Клетчатка вместе с гемицеллюлозами составляет основную часть клеточных стенок. Наружные покровы зерна — семенная и плодовые оболочки — также состоят из этих веществ, главным образом в комбинации с лигнином и минеральными солями.

Приводим данные о содержании клетчатки в зернах различных злаков (в пересчете на сухое вещество в %).

·        Ячмень       .......                 5,9

·        Овес необрушенный  .  . 12,6

·        Кукуруза белая   ....           2,4

·         Кукуруза желтая .....               2,3

·         Пшеница    ...   .   .        2,3-3,7

·         Рожь .........                          2,6

·        Просо     .......               10—14

В зависимости от развития оболочек изменяется процентное содержание клетчатки в зерне: в мелких зернах клетчатки обычно больше, чем в крупных, так как на тот же вес в первом случае приходится большая поверхность зерен и, следовательно, больший вес оболочек. Содержание клетчатки во внутренних частях зерна составляет 0,7% (мука), а в наружных — 10% (отруби).

Клетчатка содержится во вскрытых оболочках клеток эндосперма, она не растворяется при разваривании сырья и его осахаривании. Кроме того, основная масса клетчатки находится в сохранившихся цветочных пленках (кожуре) зерна, которые переходят в виде шелухи в осахаренную массу, а при перегонке бражки переходят в барду и идут на корм скоту. Чрезмерное количество шелухи затрудняет переработку на спирт целого толстопленчатого зерна — овса, проса, ячменя.

В зерне ржи содержится также полисахарид, названный левозином, образующий при кислотном гидролизе фруктозу (левулезу). По своим свойствам он сходен с полисахаридами фруктозы (поли-фруктозидами), найденными в различных злаках.

Очистка от пентозанов возможна двумя способами: механическим, т.е. с использованием 3х фазной декантерной центрифуги с выделением пентозанов в виде отдельного потока или биологическим, т.е. при помощи ферментного препарата, вырабатываемого плесневелым грибом Aspergillus oryzae, которые превращают пентозаны не в арабинозу и ксилозу, а во фруктозу и глюкозу. Бузусловно, что второй способ намного проще и дешевле, т.к. не требует затрат на специальное выделение пентозанов из раствора.

Азотистые вещества

В здоровом, зрелом зерне представлены в основном белками. Их общее содержание колеблется от 7 до 25 %. Аминокислоты, амиды, пептиды присутствуют в небольшом количестве. Их относительное содержание увеличивается в зерне недозрелом, подвергшемся самосогреванию, проросшем. Повышенное содержание аминокислот обнаруживается в зерне ржи, что объясняет ее благотворное действие на дрожжи.

Белки

В зависимости от растворимости в различных растворителях делят на альбумины - растворимые в воде, глобулины - растворимые в слабых растворах солей, проламины - растворимые в 60-80 %-х растворах спиртов, глютелины - растворимые в слабых растворах щелочей.

Первые две группы называют растворимыми белками. Они относительно легко подвергаются гидролизу с образованием аминокислот, которые необходимы для размножения дрожжей. Рожь, ячмень, овес содержат относительно высокое количество растворимых белков. В процессе переработки других культур иногда требуется обогащение дрожжевого сусла азотистым питанием.

Белки, при гидролизе которых образуются только аминокислоты, называют протеинами или простыми белками. Белки, соединенные  с другими веществами небелковой природы, называют протеидами. В зерне присутствуют гликопротеиды, липопротеиды, нуклеопротеиды и др.

Липиды

Присутствуют в зерне в количестве 2-6 %. К ним относят простые, сложные и циклические липиды. К простым липидам относятся жиры и воски; к сложным - соединения жиров с другими веществами: фосфорной кислотой, азотистыми основаниями. К циклическим липидам относят стеролы.

Жир локализован в зародыше зерна. Наибольшее его количество содержится в кукурузе - до 7 %; в овсе - до 6 % , в просе - до 5 %.

Минеральные вещества

Минеральные вещества определяются как зола. Содержание их в зерне - 1,5-3 % от массы. Зола представлена в основном солями калия и фосфорной кислоты.

Жиры, фосфатиды, фитин, стерины

В зерне содержится сравнительно небольшое количество жировых веществ, извлекаемых из него обычно эфиром. Наряду с жиром при этом извлекаются фосфатиды и стерины, объединяемые термином липоиды, а также пигменты и некоторые витамины.

Жиры представляют собой сложные эфиры (глицериды) трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Содержание жира в зерне различных культур (в пересчете на сухое вещество, в %) приводится ниже.

·          Ячмень ......  1,87 — 2,60

·         Овес   .....         5,27 -5,50

·          Рожь  ........   1,68 — 2,50

·          Кукуруза ....             4,60

·          Пшеница  ..... 1,65 - 2,50

·         Просо    ....     3,12 - 3,89

Жир распределен в зерне неравномерно — наибольшее количество его содержится в клетках алейронового слоя, а также в зародышевой ткани, в эндосперме содержание жира не превышает 1%.

Ниже приведены данные о содержании жира в очищенных зародышах зерна различных культур (в пересчете на сухое вещество, в %).

·          Пшеница   ......... 14,25

·         Овес  ........           25,71

·          Рожь  ...........       12,37

·         Кукуруза ......      32,94

·         Ячмень ..........     12,42

Жиры зерна хлебных злаков в большинстве случаев при комнатной температуре представляют собою жидкие тела; они содержат большое количество непредельных жирных кислот.

В пшеничном зерне содержатся жиры следующего состава: 40,9% линолевой, 7,7% пальмитиновой, 0,4% стеариновой, 0,2% лигноцериновой кислот.

В зерне ржи содержатся глицериды пальмитиновой, олеиновой и стеариновой кислот, а в зерне ячменя — глицериды пальмитиновой и лауриновой кислот. Овес содержит 58,5% олеиновой, 17,2% α-линолевой, 13,9% β-линолевой, 10,4% пальмитиновой кислот, а в кукурузе содержится 72,3% жидких и 27,7% твердых жирных кислот: пальмитиновая, стеариновая, арахиновая, олеиновая, линолевая, рицинолевая и незначительные количества муравьиной и уксусной.

Физические и химические константы жира зерна различных культур приведены в табл. 5.

Подобно белкам, жиры не могут служить источником питания для дрожжей, так как они не способны диффундировать через органическую клетку, но они переходят в барду, повышая этим ее кормовую ценность. Больше всего ценится кукурузная барда, в которой содержится наибольший процент жира.

Кроме жиров, зерна хлебных злаков содержат вещества, по свойствам близкие к жирам, так называемые фосфатиды. Они также представляют собой глицериды, т. е. сложные эфиры глицерина и жирных кислот, но отличаются от жиров тем, что содержат фосфорную кислоту в эфирной связи и азотистое основание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

Физические и химические константы жира зерна

Константы	Ячмень		Овес	Кукуруза	Просо	Рожь		Пшеница
	зерно	мука	зерно	зерно	зерно	зародыш	мука	зародыш	мука
Удельный вес	—	0,9765	0,925	—	0,5076	0,9322	0,8769	0,9249	0,9673
Коэффициент рефракции	—	1,4771	1,4701	—	1,4620	1,4774	1,4765	1,4686	1.4714
Свободные кислоты в %	16,520	—	34,70	—	31,9	—	—	21,48	—
Число омыления в мг КОН	182,100	164,700	189,80	189,0-192,6	166,8	174,3	172,8	184,13	160,86
Йодное число в мг 1%	114,100	95,200	114,20	111,0-130,0	129,1	127,7	118,5	123,64	105,43
Неомыляемая фракция в %	4,700	—	1,13	1,3-2,3	3,1	—	—	3,51	2,51
Средний молекулярный вес	284,700	—	284,80	—	—	—	—	265,00	—

 

 

 

 Формула фосфатидов имеет следующий вид:

 

 

СН2—О—ОС —RI

|

СН—О—ОС—R2

|

 

      |                   ОН

|                  /

СН2—О—Р=О

 

                   \

 

                    ОВ

Фосфатиды

 

 

где ОСRI  и ОСR2 — остатки жирных кислот, а В — остаток азотистого основания — холин, аминоэтиловый спирт (коламин).

Фосфатиды, состоящие из остатков глицерина, фосфорной кислоты и холина, называются лецитинами, а соединения, в состав которых входит коламин, — кефалинами.

В зерне найдено следующее количество фосфатидов (в пересчете на сухое вещество, в %).

·        Ячмень    ........                 0,74

·        Пшеница    .......               0,65

·        Пшеница (зародыши)   . 1,55

·        Кукуруза   .......                0,28

·        Рожь    .........                    0,57

 

 

Фосфор в зерне хлебных злаков содержится также в виде фитина — двойной кальциймагниевой соли инозитфосфорной кислоты, являющейся производным циклического спирта инозита.

Фитин имеет следующее строение:

 

 

 

                                   

 

                                     О— РО— (ОН)2

 

                                      |

 

                                    СН

 

                                   /     \

 

    (ОН)2ОР—O—СН      СН— О— РО(ОН)2

 

                                  |       |

 

    (ОН)2ОР—O—СН       СН— О— РО(ОН)2

 

                                   \      /

 

                                     СН

 

                                      |

 

                                      О— РО— (ОН)2

 

Фитин

Особенно много фитина в алейроновых зернах, поэтому больше всего фитина содержится в отрубях, в которые переходит при помоле алейроновый слой. Содержание фитина в зерне пшеницы составляет 0,17 — 0,32% (на сухое вещество), а в ржаном зерне — 0,5%.

При экстрагировании зерна эфиром и спиртом в экстракт, кроме жиров и фосфатидов, переходят также фитостерины — высокомолекулярные циклические алкоголи, являющиеся неомыляемой фракцией экстракта.

Характерным представителем фитостеринов является эргостерин

 

 

 
 Эргостерин                       

В пшеничных зернах содержится от 0,031 до 0,07% фитостеринов, в пшеничных зародышах — от 0,2 до 0,5%, в кукурузном зерне — от 1,0 до 1,3%.

 

Производство солода для спиртового производства

 

 Солод как источник гидролитических ферментов используется издавна. В спиртовом производстве применяют свежепроросшие солода из нескольких злаков, которые накапливают различные амилолитические ферменты. Из солодовых ферментов наиболее важны α- и β-амилазы, которые гидролизуют крахмал по связям α-1,4 и декстриназа (олиго-1,6 глюкозидаза), которая катализирует расщепление α-1,6 связей в крахмале. В результате их действия накапливаются сбраживаемые сахара: глюкоза, мальтоза, мальтотриоза и низкомолекулярные декстрины, последние гидролизуются впоследствии при брожении этими же ферментами.

В зависимости от накапливаемых ферментов солода классифицируются на несколько групп:

1. Группа ячменя, в которую входят также пшеница, рожь. Солод из этих злаков накапливает активные α- и β-амилазы.

2. Группа проса. В нее входят также гаолян, пайдза. При их проращивании накапливается активная декстриназа и α- и β-амилазы относительно низкой активности.

3. Группа овса. Активность амилолитических ферментов средняя между 1 и 2 группами.

4. Группа кукурузы. Относительно низкая активность декстриназы, нет β-ами-лазы и средняя активность α-амилазы. Используют редко.

При осахаривании применяют как правило, смесь солодов 1 и 2 группы или 1 и 3 группы. Зерно, предназначенное для проращивания должно иметь высокую прорастаемость: 92 % для ячменя, пшеницы, ржи, 85 % - для проса. Крахмал непроросшего солода плохо осахаривается и служит причиной закисания сусла в процессе брожения.

В спиртовом производстве используют свежепроросший солод.

Схема его производства включает:

-       подготовку сырья;

-       мойку и замачивание зерна;

-       проращивание.

Подготовка сырья включает очистку от сорной примеси на воздушно-ситовом сепараторе, отделение металлических примесей на магнитном сепараторе, сортировку и отделение зерновых примесей на триер-сортировочных машинах. Более подробно все указанные операции и характеристика оборудования для их проведения рассмотрены в учебном пособии по курсу «Технология отрасли».

Мойка и замачивание зерна проводится в замочных чанах. Основная цель стадии мойки зерна - отмыть его от пыли и поверхностных микроорганизмов. Цель замачивания - повысить влажность зерна, чтобы стимулировать в нем все биохимические процессы.

Чаще всего используется воздушно-водяной или воздушно-оросительный способы, так как при замачивании должны быть созданы аэробные условия.

Сначала зерно промывают, удаляют сплав, во 2-ю промывную воду вносят антисептик, например, хлорную известь. У овса сплав не снимают, так как в нем могут быть полноценные зерна. Замачивают ячмень, пшеницу, рожь, просо в 3 замочки, овес - 2 замочки. Рекомендуемая температура замачивания - 18-20 ºС. Просо замачивают при температуре 25-30 ºС. Продолжительность замачивания ячменя, проса - около 20 час, голозерных культур: пшеницы, ржи - 14 час. Конечная влажность основных культур - 38-40 %, проса - 35-38 %.

Основная цель проращивания - накопление ферментов, растворение клеточных стенок эндосперма при минимальных потерях на дыхание и образование вегетативных органов (ростков, корешков).