Основні види сировини

Технологія галузі.

„Технологія спиртового і лікеро-горілчаного виробництв”

Для студентів спеціальності 7.091700

„Технологія бродильних виробництв і виноробство”

Денної, заочної та скороченої форм навчання

                                                                       

                                                                                                                                                          СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри біотехнології

продуктів бродіння екстрактів і напоїв

    Протокол № 16 від „ 06”. 06. 2006 р.

Київ НУХТ 2006

В.О. Маринченко, П.Л. Шиян Технологія галузі. „Технологія спиртового і лікеро-горілчаного виробництв”: Курс лекцій для студентів спеціальності 7.091700 „Технологія бродильних виробництв і виноробство” денної, заочної та скороченої форм навчання. – К.: НУХТ, 2005.-      с.

 

 

Рецензент В.А. Домарецький, доктор технічних наук

                    

                П.Л. Шиян, доктор технічних наук

                В.О. Маринченко, доктор технічних наук

 

 

                                                                                                                                                                                   П.Л. Шиян, 2006

В.О. Маринченко, 2006

НУХТ, 2006

ЗМІСТ

	ВСТУП	4
1.	Основні види сировини	5
2.	Приймання і зберігання сировини та допоміжних матеріалів	9
3.	Підготовка сировини до переробки	10
4.	Оцукрюючи матеріали	11
5.	Приготування сусла з крохмалевмісної сировини	13
6.	Оцукрювання розвареної маси	20
7.	Спиртові дріжджі	21
8.	Культивування дріжджів у виробництві спирту із крохмалевмісної сировини	23
9.	Зброджування мелясного сусла	28
10.	Виділення спирту з бражки та його очистка	34
11.	Використання побічних продуктів та відходів виробництва	47
12.	Виробництво сухих кормових дріжджів	50
13.	Технологія лікеро-горілчаних напоїв	53

 

 

ВСТУП

     Технологія спирту - це наука про способи та процеси переробки різних видів сировини у етиловий спирт. У цьому підручнику викладена технологія виробницт­ва етилового спирту із крохмалевмісної сировини - зерна, картоплі і цукровмісної сировини - бурякової меляси.

  При сучасній номенклатурі наук технологія спирту належить до біотехнології. Основні процеси одержання спирту - перетворення крохмалю в цукор і цукру в етиловий спирт під дією біологічних каталізаторів (ферментів). Оскільки фермен­ти для гідролізу крохмалю до цукрів синтезуються пліснявими грибами і бактерія­ми, а перетворення цукрів у спирт - дріжджами, технологія спирту нерозривно зв'язана з технічною мікробіологією.

  Технологія спирту включає у себе такі процеси: підготовку сировини до роз­варювання, розварювання зерна і картоплі з водою для руйнування клітинної стру­ктури і розчинення крохмалю; охолодження розвареної маси і оцукрення крохмалю ферментами солоду або мікроорганізмів; зброджування цукрів дріжджами у спирт; виділення спирту із бражки і його ректифікацію, а також приготування солоду шля­хом пророщування зерна або культивування пліснявих грибів і бактерій для одер­жання амілолітичних і протеолітичних ферментних препаратів, виведення та роз­множення засівних дріжджів. При одержанні спирту із меляси переробляється цук­роза, яка міститься у ній, тому процеси розварювання та оцукрення виключаються.

  У виробництві, крім основних продуктів, - спирту і діоксиду вуглецю - одер­жують побічні - головну фракцію етилового спирту (ГФ), сивушне масло. Діоксид вуглецю, який утворюється при спиртовому бродінні, вловлюють, очищують від домішок і перетворюють в рідкий або твердий продукт ("сухий лід"). Із мелясної бражки у двопродуктовій схемі, крім спирту і діоксиду вуглецю, одержують хлібо­пекарські дріжджі. Сивушне масло (суміш в основному ізоамілового, ізобутилового і н-пропілового спиртів) і ГФ, які виділяються у процесі ректифікації етилового спирту, випускають у вигляді технічних продуктів. ГФ у суміші з бензином цілком може бути використана як добавка до палива для автомобілів.

Барда - залишок після відгонки спирту із бражки. Зерно-картопляна барда мі­стить усі складові компоненти вихідної сировини, за винятком крохмалю, і дріж­джі. Невелика кількість азотистих речовин солоду і сировини витрачається на живлення дріжджів, якими синтезуються повноцінні білки, вітаміни і інші біологічно важ­ливі речовини. Тому нативна зерно-картопляна барда - чудовий корм для тварин. У цілях збереження складу при короткочасному літньому зберіганні на деяких заводах рідку барду використовують для вирощування кормових дріжджів, концентрують і су­шать.

Мелясна барда, на жаль, по сьогодні вважається відходом, що забруднює приро­ду, її скидають на поля фільтрації, під які використовують родючі землі, крім цього, забруднюється повітряний басейн. На деяких заводах на барді вирощують кормові дрі­жджі, але натомість одержують у такому ж об'ємі вторинну (післядріжджову) барду або виробляють кормовий концентрат вітаміну В₁₂ (культивуванням метанових бакте­рій). Хоч у мелясній барді міститься багато гліцерину, глутамінової кислоти, бетаїну, калійних солей та ін., але вилучають їх у дуже незначних кількостях.

Етиловий спирт знаходить широке застосування. Харчова промисловість - його головний споживач: спирт використовують при виготовленні лікеро-горілчаних та плодово-ягідних напоїв, для кріплення виноматеріалів і купажування виноградних вин, у виробництві оцту, харчових ароматизаторів і парфюмерно-косметичних ви­робів. У мікробіологічній і медичній промисловості спирт потрібний для осаджен­ня ферментних препаратів із культуральної рідини або екстракту із твердофазної культури, для одержання вітамінів та інших препаратів і ліків, також етиловий спирт використовується як дезинфікуючий засіб і як речовина, яка запобігає інфікуванню і псуванню лікувальних екстрактів (валеріани, пустирнику та ін.). Невелика кіль­кість спирту використовується у хімічній, машинобудівній, автомобільній та ін­ших галузях промисловості, а також у ветеринарії і фармакопеї.

Технологія спирту як наука пройшла довгий шлях розвитку, перш ніж досягла високого сучасного науково-технічного рівня, у створенні і вдосконаленні її брали участь видатні вчені й інженери багатьох країн, у тому числі російські й українські.

Одержання спирту як самостійного продукту належить до більш пізнього періоду, ніж приготування алкогольних напоїв за допомогою бродіння, що було відомо з глибокої давнини. Про будівництво винокурні у Київській Русі згадувалося у В'ятському літописі у 1174 р. В Італії вперше спирт стає товаром у XIII ст. Через два століття його почали виробляти й у інших країнах. Однак до другої половини XIX ст. способи одержання спирту були примітивними і наукової технології взагалі не існувало.

Відкриття у Росії в 1814 р. К.С.Кірхгофом оцукрення крохмалю солодом, тео­рія утворення проміжних сполук між субстратом і каталізатором А.І.Ходнєва дали початок науковим основам ферментативного каталізу крохмалю.

У розвиток учення про ферменти рослинного походження та їх роль у живій клітині внесли вклад А.І.Опарін і А.Л.Курсанов.   

У виробництві спирту глибоко вивчені ферменти солоду і мікроорганізмів, з'я­совані механізми їх дії і роль при гідролізі крохмалю дослідженнями у ВНДІПрБ Д.М.Климовським, В.І.Родзевичем, С.А.Коноваловим, Б.О.Устинниковим, В.Л.Яровенко, А.В.Феніксовою. Під керівництвом А.В.Феніксової і С.П.Колоскова створені спосіб і апаратура поверхневого культивування мікроорганізмів, В.В.Вяткіним, В.Л.Яровенко, О.П.Левчиком - глибинного культивування плісня­вих грибів - продуцентів амілолітичних ферментів.

На результатах досліджень наших співвітчизників Л.А.Іванова, А.Н.Лебедєва, С.П. Костичева у значній мірі базуються сучасні уявлення про хімію спиртового бродіння. Теорія безперервного зброджування мелясного сусла була розроблена у 1909 - 1915 рр. С.В.Лебедєвим. Теорія і практика безперервного збродження сусла із крохмалевмісної сировини розвинена В.Л. Яровенком разом з С.В.Пиховою і С.П.Скалкіною (1949-1953 рр.). Ними запропоновані безперервно-протоковий і циклічний способи зброджування. Безперервне зброджування мелясного сусла здійснено в результаті досліджень Д.М.Климовського, Л.М.Ясинського, Ф.І.Гладких і Л.Малченко.            

Фундаментальні роботи з теорії структури і фізико-хімічних властивостей водно-спиртових розчинів, виділення спирту із бражки і ректифікації спирту були виконані в Росії ще до 1917 р. вченими Д.І.Менделєєвим, А.Г. Дорошевським, І.П.Коноваловим, М.С.Вревським. Є.Сорель і Е.Барбе у Франції заклали основи теорії і методу очистки спирту від домішок.

Тарілчастий брагоперегонний апарат з'явився у 1813 р., у 1867 р. Сорель ви­найшов кубовий ректифікаційний апарат періодичної дії, а у 1881 р. Е.Барбе - безперервнодіючий ректифікаційний апарат.

У 1876 р. російськими інженерами Недошивиним і Новицьким був конструкти­вно покращений лічильник спирту фірми "Сіменс-Гальске" для об'ємного обліку кількості спирту, під маркою КС-35 він використовувався заводами до 1953 року.

Покращанню якості спирту у періодичному способі сприяв єдиний метод рек­тифікації на кубовому апараті, запропонований А.Л.Покровським і Г.І.Фертманом. Суттєві вдосконалення у теорію, методи і апаратурні схеми виділення із бражки і ректифікації спирту внесли О.О.Кіров, В.М.Стабніков, С.Є.Харін, П.С.Циганков, В.П.Грязнов, М.С.Терновський, В.О.Маринченко.

А.П.Рухлядевою розроблені нові методи визначення крохмалю у сировині і методи контролю виробництва спирту.

Значний внесок у розвиток теорії і практики спиртового виробництва внесли вчені КТІХП (НУХТ) і  УкрНДІСП (УкрНДІспиртбіопроду).

У довоєнний період наукові дослідження у галузі спиртового виробництва проводилися науково-дослідним сектором КТІХП під керівництвом А.А.Фукса і були спрямовані на докорінну модернізацію підприємств і впровадження більш досконалої технології.

Цінним внеском у теорію і практику спиртового і дріжджового виробництва є дослідження закономірностей розмноження дріжджів, установлення оптимальних умов зброджування мелясного сусла, вибору раси дріжджів, які зіграли значну роль у ство­ренні сучасних ефективних способів безперервного зброджування цього середовища.

У післявоєнний період науково-дослідний сектор був реорганізований в Українсь­кий науково-дослідний інститут спиртової і лікеро-горілчаної промисловості. Роботи у галузі технології спирту у КТІХП продовжувалися в основному на кафедрі технології бродильних виробництв і на кафедрі процесів і апаратів харчових виробництв.

В.О.Маринченко і В.М.Швець розробили принципово нові способи підготов­ки цукро- і крохмалевмісної сировини до зброджування. Велику увагу було приді­лено дослідженням з підбору високопродуктивних штамів спиртових дріжджів, більш повному використанню рафінози меляси і целюлози крохмалевмісної сиро­вини у спиртовому виробництві (В.О.Маринченко, В.М.Швець), розробкам ресурсо- і енергозберігаючих технологій. Уперше в харчовій промисловості досліджені та широко впроваджені на спир­тових заводах процеси механохімічної деструкції та механоактивування сировини і ферментних препаратів (В.О.Маринченко).

  Під керівництвом В.М.Стабнікова на основі розвиненої ним теорії масо- і теп­лообмінних процесів, які відбуваються у ректифікаційних колонах, досліджено нові типи контактних пристроїв, найбільш ефективні з них впроваджені у виробництво. і дослідження стали основою удосконалення брагоректифікаційних уста­новок з метою підвищення якості і виходу ректифікованого спирту, а також техніко-економічних показників їх роботи (П.С.Циганков, П.Л.Шиян, В.М.Таран). У УкрНДІСП під керівництвом А.Й.Скірстимонського і П.В.Рудницького разом з іншими співробітниками проводилися важливі дослідження з комплексної переробки меляси у спиртовій промисловості. Одержані вагомі результати, але спо­соби економічного і екологічно чистого використання первинної і вторинної мелясної барди не були знайдені. Немає вирішення цієї проблеми і за кордоном.

Основні види сировини

  Сировина, яка використовується для одержання спирту, повинна щорічно відтворюватися у кількості, достатній для промислової переробки, містити високу концентрацію крохмалю чи цукру і добре зберігатися, що забезпечуватиме економічну доцільність виробництва. Цим умовам відповідають зерно рослин, які належать до м'ятликових (злаків), меляса і бульби картоплі.

Зернові культури

  У спирт переробляють будь-яке зерно, і в тому числі й не придатне для харчо­вих і кормових цілей. Щорічний об'єм переробки коливається в залежності від ба­гатьох факторів і приблизно становить (%): пшениці - 50 (переважно дефектної), ячменю - 20, жита - 12, кукурудзи - 8, проса - 5, вівса - 2 та інших культур - 3. Для приготування солоду використовують кондиційне високоякісне зерно.

Кукурудза. Із зернових культур найкращою сировиною для виробництва спирту є кукурудза (Zea mays). У ній міститься відносно більше крохмалю, менше клітко­вини, більше жиру (що підвищує кормову цінність барди). Урожайність у 2-3 рази вища врожайності інших зернових культур. Кукурудзу вирощують в Україні, Молдові, на Північному Кавказі, в Закавказ­зі, Середній Азії, на Нижній Волзі, у Воронезькій і Курській областях. Розповсю­джені сорти кукурудзи Північно-Осетинська біла, Молдавська жовта, Одеська 10, а також гібриди ВІР - 42М, 156Т, 338, 63Т, Краснодарські - 1/49, 4Т, 5ТВ, 309, Дніп­ропетровський 56Т та інші.

  На прямостоячому стеблі рослини заввишки від 0,6 до 2,6 м розвиваються 1 - 2 (інколи більше) качани, на поверхні яких розташовані уздовж початку від 300 до 1000 зернівок (зерен). Зернівки мають жовте або біле забарвлення, рідше - оранжеве та вишнево-червоне. Зернівка становить від 75 до 85% маси качану. Качан обго­рнутий декількома шарами листків.

У залежності від форми зерна та ступеню розвитку ендосперму, кукурудзу поділяють на 7 ботанічних груп: кремнисту, зубовидну, крохмалевмісну, восковидну, цукрову, лущату. Для виробництва спирту доцільніше використовувати крохмалисну і зубовидну кукурудзу, які легко розварюються.

    Жито, пшениця, ячмінь та овес. Жито (Secale), пшениця (Triticum), ячмінь (Hordeum) і овес (Avena) широко культивують в Україні, Росії, овес - усюди - від і субтропіків до Заполяр'я.

  У невеликих кількостях переробляють круп'яні культури - просо, гречку і рис.

 

Хімічний склад зерна

  Хімічний склад зерна сильно залежить від культури і сорту, ґрунтово-клімати­чних умов, прийомів агротехніки, умов зберігання та інших факторів. У середньо­му зерно складається із 14% вологи і 86% сухих речовин.

Розрізняють чотири стани товарного зерна: сухе, середньої сухості, вологе і сире. Наприклад, для жита, пшениці і ячменю, ці стани характеризуються такими показниками вмісту вологи (%): сухе - до 14, середньої сухості - від 14 до 15,5, вологе - від 15,5 до 17 і сире - більш 17. У дефектному та змокрілому зерні воло­гість може досягати 30 % і більше. Волога, яка відповідає сухому стану, є колоїдно-зв'язною, життєві процеси зведені до мінімуму, при середній сухості з'являється невелика кількість вільної води, і зерно може пробуджуватися до життя. Вологість, яка відповідає цьому стану зерна, називається критичною.

Вода. Вологість зерна залежить не тільки від його гігроскопічних властивос­тей, але і від зрілості та інших умов

 

 

 Сухі речовини. У зерні в середньому 84 % органічних і 2 % мінеральних речо­вин, а саме (%): крохмалю - 52, цукрів - 3, клітковини - 6, пентозанів і пектинових речовин - 9, азотистих речовин - 11, жиру - 3.

 

Крохмаль міститься (%): у здорових зрілих зернах пшениці - 48...57, житі 46...53, ячменю 43...55, проса 42...60, вівса 34...40, кукурудзи крохмалистої 61...70, зубовидної 58...64, кремнистої 54...71. У дефектному зерні кількість крохмалю знижується.

Цукрів у здоровому зерні звичайно від 0,6 до 7,0 %. Вони складаються в основному із цукрози і невеликих кількостей три- і тетрацукридів. У ячмені і житі в помітних кількостях присутня рафіноза. Мальтози немає, але вона з'являється при пророщуванні зерна.

У недозрілому, мерзлому і пророслому зерні цукрів більше, вони складаються головним чином з редукуючих цукрів (інвертного цукру, мальтози).                                                                                                                                           

Целюлози взерні, яке звільнене від квіткових оболонок, відносно мало -1,5...2,5 %. У зерні з плівками вміст клітковини збільшується і складає (%): у вівсі - 10, просі - 8, ячмені - 4...5, горосі - 7,7.    

Пентозани - домінуюча складова частина гумі (слизів). У зерні містяться ге­міцелюлози (напівклітковини), які складаються з гексозанів (манана, галактана, глюкана) і пентозанів (ксилана, арабана), які поряд з клітковиною входять до скла­ду клітинних стінок.

Загальна кількість пентозанів у зерні 7...15 %. Багато пентозанів у вівсі (13...15 %), ячмені (9...13 %) і житі (біля 10 %). Особливо багато гумі у зерні жита (до 2,8 %), що викликає високу в'язкість розвареної маси, одержаної з неї. У кукурудзі містяться декстрини (1...6 %). У недозрілому зерні жита і пшениці у значних кіль­костях виявлені фруктозани. Пектинових речовин у зерні відносно небагато. 

 

Азотисті речовини у здоровому зрілому зерні складаються головним чином з білків, яких міститься від 7 до 25 %. Вільні амінокислоти, аміди і пептиди присутні в дуже невеликих кількостях. Лише в зерні жита їх дещо більше, що зумовлює бла­готворний вплив жита на дріжджі. Вміст небілкового азоту (включаючи аміач­ний) складає в середньому 2 %. У незрілому зерні, яке піддалось самозігріванню, і пророслому зерні кількість амінокислот збільшується.

У зерні знайдені альбуміни - білки, що розчиняються у воді; глобуліни - біл­ки, які розчиняються у слабких (3...10 %-них) розчинах нейтральних солей, а деякі з них - у слабких (0,2%-них) розчинах кислот; проламіни - білки, що розчиняються у 60...80 %-них розчинах спиртів; глютеліни - білки, які розчиняються у слабких (0,2 %-них) розчинах лугів.

Типові представники білків: альбумінів - лейкозин пшениці, глобулинів - едестин ячменю, глютелін пшениці, проламінів - гліадин пшениці, зсін кукурудзи, гордеїн ячменю, авенін вівса, глютелинів - зеїнин кукурудзи.

Невелика кількість водорозчинних азотистих речовин в зерні кукурудзи та неповноцінність амінокислотного складу більшої частини білків при розмноженні дріжджів на суслі з цієї сировини вимагають внесення азотистого живлення.

Жири - тригліцериди жирних кислот - містяться у зерні у відносно невеликій кількості: у кукурудзі 5...7 %, у вівсі 5...6 %, у просі 3,5...5 %. Приблизно 85 % їх локалізовано у зародку, 12 % - в алейроновому шарі і 3 % - у мучнистій частині ендосперму. У склад жиру входять в основному ненасичені кислоти - ліноленова, лінолева і олеінова, з насичених - головним чином пальмітинова.

Крім власне жирів, зерно містить фосфатиди, стероли, віски, пігменти та інші речовини. Головним і найбільш поширеним представником фосфатидів у злаках є лецитін - тригліцерид, який містить фосфорну кислоту і азотисту основу холину. Вміст лецитинів невеликий (0,3...0,7 %). При гідролізі фосфатидів виві­льняється фосфорна кислота - одна з речовин, яка зумовлює кислотність зерна. Фосфатиди грають важливу роль у проникливості клітин. Із стеролів у зерні при­сутні високомолекулярні одноатомні спирти - фітостероли (0,03...0,07 %), які близькі до вітамінів групи D. У зерні міститься також фітин - кальцій-магнієва сіль інозитфосфорної кислоти. З пігментів у зерні знайдені каротини, антоціани, флавони.               

  Вітаміни зерна представлені  жиророзчинними вітамінами - токоферолами (у зародку, особливо в значних кількостях у пшеничному) і водорозчинними (мг на 100 г): тіамін-0,3...0,8, рибофлавін-0,07...0,30, нікотинова кислота- 1,3...7,2, а також піридоксин, біотин, пантотенова кислота. Аскорбінова кислота з'являється тільки при пророщуванні зерна.

Мінеральні речовини (зола) і кислоти складають 1,5...3,0 % від маси зерна.Вони знаходяться головним чином у оболонках і квіткових плівках, а також у заро­дку. Відносно багато золи у плівчатих культурах.                                

Основна частина золи складається з фосфату калія. Біля 85 % фосфору від загального його вмісту у зерні знаходиться в органічних сполуках - нуклеопротеїдах, фосфатидах і фітині.

  Кислоти представлені фосфорною, щавлевою, яблучною і молочною. Загаль­на кислотність зерна 1,5...2,5 мл 1 н розчину гідроксиду натрія на 100 г зерна.   Активна кислотність водної витяжки відповідає рН 5,5...6,5. При псуванні зерна кислотність зерна підвищується.

МЕЛЯСА

Мелясою називають останній маточний розчин - відтік, який отримують при відокремленні кристалів цукрози на центрифугах. У мелясі містяться цукроза, яку виділити методом кристалізації вже економічно невигідно, і нецукри соку цукрово­го буряку чи цукрової тростини. При виробництві цукру з буряку вихід меляси в розрахунку на безводну коливається від 3,5 до 5 % від її маси. З мелясою відходить від 10 до 15 % усього цукру, який міститься у буряку.

У залежності від вихідної сировини для виробництва цукру одержують буря­кову чи тростинну мелясу. У нашій країні цукрова тростина не вирощується. Спир­тові заводи переробляли тростинну мелясу, яку імпортували з Куби.

Меляса - це концентрований розчин різних мінеральних і органічних речо­вин, частина яких знаходиться в колоїдному стані. Меляса - густа в'язка рідина темнокоричневого кольору відносною густиною 1,35..1,40.

Серед різних видів сировини меляса є найбільш вигідною для виробництва етилового спирту. У ній високий вміст зброджуваних цукрів, а також речовин, які потрібні для нормальної життєдіяльності дріжджів. При переробці меляси спро­щується технологічна схема, тому що виключаються операції розварювання сиро­вини і оцукрювання крохмалю ферментами солоду або ферментних препаратів. У мелясному суслі відсутні декстрини і неоцукрений крохмаль, тому воно швидше зброджується, при цьому зменшуються втрати зброджуваних вуглеводів і збільшу­ється вихід спирту у перерахунку на умовний крохмаль, знижується собівартість спирту і зростає продуктивність праці. При комплексній переробці меляси можна одержувати великий асортимент цінних для народного господарства продуктів.

Хімічний склад меляси Бурякова меляса має складний і непостійний хімічний склад, який залежить від ґрунтово-кліматичних умов вегетації, від добрив, які застосовуються, способів збирання, умов і тривалості зберігання цукрового буряку, технології цукроваріння та інших факторів. У загальному вигляді склад меляси можна представити таким чином: цукор і нецукри, які разом складають сухі речовини; вода. Вміст сухих речовин становить у середньому 75 %, з них 45 % зброджуваних цукрів, води - 25 %, значна частина якої знаходиться у зв'язаному стані внаслідок гідратації колоїдів, молекул цукрози й іонів мінеральних речовин. Коли концентрація сухих речовин не менша 75 %, меляса знаходиться у самоконсервованому стані і дуже добре зберігається у вироб­ничих умовах. У спиртовому виробництві беруть на облік усі  цукри, які повністю або частково зброджуються дріжджами у спирт. Цукроза і зброджувані цукри. Вміст цукрози у мелясі може змінюватися від 45 до 50 %, в мелясах деяких партій кількість її досягає 52-54 %. Звичайно, прийн­ято вважати, що меляса повинна бути розчином, який насичений цукрозою, однак практично це пересичений розчин, оскільки у виробництві кристалізація обмежена часом. Крім цього, на вміст цукрози суттєво впливають вихідна густина сиропу і кінцева температура кристалізації: чим вища густина і нижча температура (у ме­жах, які допустимі), тим менше у мелясі залишається цукру. Інвертний цукор - це суміш еквімолекулярних кількостей глюкози й фруктози. У мелясі міститься невелика кількість інвертного цукру - від 0,03 до 0,5 %. У меля­сі, яка одержана при переробці буряку, який тривалий час зберігався, кількість ін­вертного цукру збільшується до 1,5...2 %, а в інфікованій мелясі, яка має кислу реакцію, кількість її досягає 5...10 %. Із трисахаридів у мелясі містяться рафіноза (0,2 %), кестоза й ізокестоза (0,5... 1,6 %), плантеоза (0,01 %). Кількість рафінози у мелясі підвищується до 2 % при переро­бці у цукор буряку з підвищеним вмістом цього цукру. Рафіноза складається із зали­шків фруктози, глюкози і галактози, кестоза й ізокестоза - з двох залишків молекул фруктози й одного залишку молекули глюкози. Кестоза й ізокестоза у буряку не міс­тяться, поява їх у мелясі, мабуть, викликана життєдіяльністю мікроорганізмів у цук­ровому виробництві. У мелясі виявлений тетрасахарид стахіоза (0,02 %). β - фрукто-фуранозидаза (сахараза, інвертаза) дріжджів розщеплює рафінозу на фруктозу і диса­харид - мелібіозу. Тому що у спиртових дріжджах Saccharomyces cerevisiae немає ферменту α - галактозидази (мелібіази), то рафіноза зброджується ними на одну тре­тину. Однак у гібридних рас дріжджів (Г-67, Г-73 та ін.) цей фермент присутній, тому рафіноза зброджується майже повністю. Вміст інших цукрів звичайно невеликий, вони або частково зброджуються, або (як пентози) не зброджуються. Тому до збро­джуваних цукрів відносять цукрозу, інвертний цукор і 1/3 рафінози. При цьому кіль­кість двох останніх цукрів перераховують на цукрозу. Нецукри меляси розділяють на дві групи: органічний та мінеральний нецукор. Органічна частина нецукрів складається з безазот- і азотвмісних сполук. Безазотисті органічні речовини. Вони представлені продуктами лужного розкладу цукрів, меланоїдинами й органічними кислотами.

Продукти лужного розкладу цукрів. Інвертний цукор, особливо фруктоза, у лужних умовах цукрового виробництва при нагріванні швидко розкладаються. Спо­чатку внаслідок кето-енольної таутометрії відбуваються взаємні перетворення глю­кози і фруктози і утворення нових моноз, наприклад, маннози і псикози. При розкладі моноцукридів з'являються нелеткі забарвлені кислоти - глюцинова, апоглюцинова, сахарумова, мелясинова і більш високомолекулярні гумінові кислоти, не­велика кількість молочної і летких кислот - мурашиної й оцтової.                                                                                                                        

  Карамелі - назва складної суміші продуктів, які утворюються при термічному розкладі цукрози і моноцукридів. У склад карамелей входять ангідриди цукрів, темнозабарвлені та інші маловивчені сполуки. У залежності від ступеня дегідратації цукрози (втрати маси при нагріванні) карамелі умовно називають: карамелан (10 %), карамелей (15 %) і карамелін (20 %).

Концентрація продуктів лужного розкладу інвертного цукру у мелясах стано­вить 1,5...5,1 %, карамелану - 0,2...0,9 %.

У мелясі виявлений фурфурол у кількості від 6 до 14,5 мг на 100 г сухих речо­вин меляси.

Меланоїдини - також не менш складна суміш продуктів, які утворюються при хімічній взаємодії редукуючих цукрів з амінокислотами. Крім нелетких забарвле­них сполук, які містять невелику кількість азоту, присутні аліфатичні альдегіди, метилгліоксаль, диацетил, ацетоїн та ін.

Забарвленість меляси зумовлена барвними речовинами, які утворюються при лужному розкладі моноз і меланоїдиновій реакції. Більша частина барвних речо­вин утворює справжні водні розчини.

Усі барвні речовини мають індикаторні властивості: інтенсивність забарвлен­ня із зниженням рН зменшується, з підвищенням - збільшується, що, можливо, пов'язано із зміною дисоціації хромофорних груп. Деякі функціональні групи зда­тні впливати на окислювально-відновний потенціал.

Кольорність меляси виражають у мілілітрах 0,1 н розчину йоду, який треба до­дати до 94 мл дистильованої води, щоб одержати таку ж інтенсивність забарвлення, як у 2 %-ного розчину меляси. Але для усунення впливу індикаторних властивостей барвних речовин розчини меляси треба доводити до однакового значення рН, напри­клад, до рН 5,0, який звичайно підтримується у виробничих умовах. Кольорність змінюється у широких межах - від 1,2 до 4,6, частіше 1,5...2 мл 0,1 н розчину.

У мелясі 4...6 % речовин знаходяться у колоїдному стані. Колоїди групи забарвлених продуктів лужного розкладу цукрів мають негативний електрокінетичний потенціал, колоїди з забарвленими продуктами меланоїдинової реакції - позитивний електрокінематичний потенціал. Дріжджові клітини заряджені негативно, тому дріжджі індиферентні до продуктів лужного розкладу цукрів (однойменно заряджені), але протилежно заряджені дріжджові клітини сорбують на своїй поверхні
меланоїдини, які утруднюють обмін між клітинами і живильним середовищем і надають дріжджам темного кольору.            

Колоїди меляси у великій кількості є причиною піноутворення при зброджу­ванні мелясного сусла.

Органічні кислоти, які утворюють з гідроксидом кальція нерозчинні солі (щав­лева, лимонна, оксилимонна і винна), в основному видаляються з дифузійного соку у процесі дефекації, інші - глутарова, малонова, адипінова, янтарна, молочна, яблучна, гликолева та інші) переходять у мелясу. З летких кислот присутні мурашина (0,1...0,4 %), оцтова (0,6... 1,3 %), пропіонова (сліди - 0,4 %). Більша частина летких кислот утворюється внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів. Практично всі леткі та нелеткі кислоти знаходяться у мелясі у вигляді солей калію і кальцію. При підкисленні меляси мінеральними кислотами з солей утворюються вільні леткі кислоти. Вільні кислоти більш токсичні для дріжджів, ніж їх солі. Інгібуюча дія на дріжджові клітини підсилюється із збільшенням кількості атомів вуглецю у молекулі кислоти, тобто її молекулярної маси. Зниження виходу спирту відбуваєть­ся при таких концентраціях летких кислот у мелясі (%): мурашиної 0,3, оцтової 1,5, пропіонової 0,4, масляної 0,15 і капронової 0,19. У таких концентраціях мо­жуть міститися усі леткі кислоти, за винятком капронової.

Азотисті речовини. Вміст цих речовин у мелясі залежить від кількості азоти­стих добрив, осадів, які випали, температури у період вегетації, а також тривалості зберігання буряку: він підвищується із збільшенням дози добрив і зменшується із зростанням кількості осадів, зниженням температури і збільшенням тривалості зберігання буряку.     

У мелясі міститься від 1,2 до 2,3 % загального азоту, який складається в осно­вному з амінного (42 % від загальної кількості) і бетаїнного (50 %) азоту. У невели­кій кількості присутній амідний (3 %), аміачний та нітратний (3 %) і білковий (2 %) азот.

Вміст у мелясі азоту, який засвоюється дріжджами, становить від 12 до 20 % від загального азоту. Для нормальної життєдіяльності дріжджів достатньо 0,25 % засвоюваного азоту.

Амінокислоти переходять у мелясу з буряку тільки на 50...60 %.                        γ-аміномасляна кислота утворюється в процесі переробки буряку із глутамінової кислоти в результаті декарбоксилювання. Глутамінова кислота легко відщеплює воду, пере­творюючись у циклічну пірролідонкарбонову кислоту, у вигляді якої вона на 75 % і знаходиться у мелясі.

З амінокислот у мелясі найбільша кількість глутамінової кислоти (1,6...5 % до загального азоту). Крім неї, у мелясі міститься лейцин та ізолейцин - 0,7...1,5, валін і метіонін - 0,3...0,6, аспарагінова кислота - 0,3...0,5, тирозин - 0,02...0,40, аланін - 0,6...1,2, серин - 0,6 - 2,0 % від загального азоту та деякі інші амінокислоти.

З амінокислот у процесі зброджування живильного середовища утворюються побічні продукти спиртового бродіння - вищі спирти: з лейцину - ізоаміловий, валіну - ізобутиловий, α - аміномасляної кислоти - н-пропиловий спирт, які входять до складу побічного продукту ректифікації спирту - сивушного масла.

 

Бетаїн          

 

(CH3)3N – CH2         O - CO

       

- органічна основа, яка міститься у буряку і практично повністю переходить у мелясу. У мелясі знаходяться й аміни - продукти термічного розкладу бетаїну - триметиламін, диметиламін, етиламін і метиламін. Вони прида­ють мелясному спирту неприємний присмак спирту, погіршують його органолеп­тичні властивості.

Бетаїн майже повністю не засвоюється спиртовими расами дріжджів і майже увесь залишається у післяспиртовій барді. Раніш з нього на Лохвицькому спирткомбінаті одержували медичний препарат - бетаїн солянокислий (холін-хлорид, ацидин), який використовують як лікувальний препарат при зниженій кислотності шлункового соку.      

Вітаміни. У мелясі у невеликій кількості знаходяться вітаміни. У мелясу вони переходять лише частково: вітаміни В₁ і В₂ руйнуються в процесі переробки буря­ку у цукровому виробництві. Вітамін В₆ екстрагується у кількості 25 % від вмісту його у буряку.

Одна третина біотину і фолієвої кислоти переходить у мелясу, нікотинова ки­слота повністю зберігається у мелясі, пантотенова кислота може втрачатися у про­цесі хімічної обробки соку буряку.

Мінеральні речовини. Мінеральні речовини представляють собою карбонати, сульфати, нітрати, хлориди і фосфати катіонів калію, натрію, магнію, алюмінію, заліза, амонію. Вміст зольних елементів у мелясі досягає 10 %. При одержанні ди­фузійного соку його очищають вапняним молоком. Тому у мелясі переважають карбонати і сульфати, але дуже мало фосфатів, бо вони випадають в осад у цукрово­му виробництві. Так, з досліджень, які були проведені в Національному універси­теті харчових технологій, при загальному вмісті карбонатної золи у 8 зразках меляси від 7,8 до 12 % кількість оксиду калію складала від 4,1 до 7,1%, оксиду натрію - 0,3...1,4%, оксиду кальцію - 0,05...0,9%, оксиду магнію - 0,01...0,34%.                                                                                                                                                                              

У мелясі містяться у невеликих кількостях мікроелементи (мкг/кг): бор - 2...4,2, залізо - 80...170, кобальт - 0,3...0,8, марганець - 10...30, мідь - 1,2... 10, молібден - 0,1...0,3, цинк - 26...40, сліди нікелю, літію та ін.                                                                                                   

  Ростові речовини у невеликій кількості містяться у буряку і у мелясу переходять тільки частково.

Ростові речовини у мелясах містяться у таких кількостях (мкг/кг): біотин 40...130, пантотенова кислота - 50...110 тис., інозит - 5,6...8 млн.

У мелясу потрапляють сторонні домішки: нафтопродукти з недостатньо під­готовлених залізничних цистерн, піногасники, які використовують у цукровому виробництві, пестициди та ін. Кількість сторонніх домішок може бути значною наприклад, піногасників 1...2 % до маси меляси.

На спиртзаводи інколи поступає тростинна меляса, яку одержують при переробці на вітчизняних цукрових заводах імпортного тростинного цукру-сирцю у бі­лий цукор. Тростинна меляса містить біля 80% сухих речовин, 62% зароджуваних цукрів, 52% цукрози, 8% інвертного цукру та 2% рафінози. Як бачимо доброякіс­ність її висока - у середньому 75%. Це пояснюється тим, що тростинна меляса має знижений вміст азоту (до 0,5%), мінеральних речовин (3,8%). У ній містяться такі ж самі вітаміни, що і у буряковій мелясі. Реакція тростинної меляси слабо кисла (рН 6,2). При виробництві цукру-рафінаду з цукру-піску одержують як відход виробництва рафінадну мелясу, яка може бути сировиною для виробництва спирту. Склад рафінадної меляси (%): сухих речовин - 80%, цукру - 49%, загального азоту - 1,6%, золи - 4,2%.

Допоміжні матеріали

  У мелясі недостатньо фосфору, а часто і азоту для нормальної життєдіяльності дріжджів, тому у неї додають як джерело фосфорного живлення ортофосфорну кислоту, а як джерело азотного живлення - сульфат амонію, карбамід (сечовину). Діамонійфосфат містить обидва елементи.

  Для пригнічення сторонньої мікрофлори і створення умов природно-чистої культури при підготовці меляси до зброджування у неї вносять кислоти - соляну або сірчану - і антисептики некислотного походження - хлорне вапно, формалін, сульфонол та ін.          

Ортофосфорна кислота

У спиртовому і дріжджовому виробництвах використовують технічну ортофосфорну кислоту. Це малопрозора рідина, безкольорна або слабо-жовтого кольо­ру. Відносна густина 1,530. Вміст ортофосфорної кислоти у термічній кислоті біля 70 % (50,7 % у перерахунку на Р₂О₅) і не більше 0,0003 % миш'яку.

' Карбамід

Карбамід СО (NН₂)₂ - амід карбамінової кислоти або повний амід вугільної ки­слоти. Виробляється у кристалічному і гранульованому вигляді з вмістом азоту не менше 46%. Карбамід одержують синтетичним шляхом з аміаку і діоксиду вуглецю. Відносна густина 1,335, добре розчиняється у воді: розчинність при 50° С - 67,23 %.

Діамонійфосфат

Діамонійфосфат (NН₄)₂НРО₄ - технічний для харчової промисловості, пред­ставляє собою білу сіль, яка містить (%): азоту - 21; фосфорної кислоти - 74; Р₂О₅ - 53,5; миш'яку - не більше 0,005 і фтору - не більше 0,3. Розчинність при 50°С - 89,2 г на 100 г води.

Біостимулятори

Біостимулятори у спиртовій промисловості застосовують для прискорення пророщування зерна і підвищення ферментативної активності солоду. Дуже силь­ним стимулятором є гібберелінова кислота, або гіббереллін А₃ - похідне гібберену.

Гіббереллін - білий чи злегка жовтуватий порошок – погано розчиняється у воді, добре - у спирті. При нагріванні гіббереллін швидко руйнується і втрачає біологічну активність.

Кислоти

Для підкислення дріжджового сусла у виробництві спирту з крохмалевмісної сировини використовують сірчану кислоту, для підкислення мелясного сусла - сір­чану або соляну кислоту.

Сірчана кислота

Сірчана кислота акумуляторна або технічна контактна покращена містить 92...94% моногідрату (Н₂SО₄). Неприпустима наявність азоту, миш'яку та свинцю. Колір - від безбарвного до світло-коричневого. Враховується і дозується за моногі­дратом (Н₂ SО₄).

Соляна кислота

Соляна кислота технічна синтетична і технічна містить не менше 35 і 27,5 % НСl і не більше 0,0002 та 0,01 % миш'яку відповідно. Враховують і дозують соляну кислоту у перерахунку на кислоту зі 100 %-ним вмістом НС1.